異質結構的合理設計為鋰硫電池中多硫化鋰轉化的理想催化劑體系開辟了新的機遇。但其傳統的制作工藝復雜，難以合理控制各組分的含量和分布。在這項工作中，為了合理設計異質結構，利用原子層沉積（ALD）方法在通過化學氣相沉積（CVD）制備的三維（3D）獨立式碳納米管（CNTs）骨架的基礎上制備了同軸CNTs@TiN-TiO
2海綿。通過控制CNT外表面的TiO
2和TiN層的厚度，并結合退火后處理，由10 nm TiN和5 nm TiO
2包裹的CNTs混合得到了同軸CNTs@TiN-TiO
2海綿。通過測試發現，同軸CNTs@TiN-TiO
2海綿表現出優異的性能，提高了Li-S電池的性能。其中，在0.2 C下具有1431 mAh g
-1的高比容量，即使在1 C下也具有1289 mAh g
-1的高比容量，在2 C下循環500次后容量保持率仍高達85%。此外，3D CNTs海綿的多孔結構和相互連接的導電通路有助于容納大量S并保證其有效的利用。結果表明，基于同軸CNTs@TiN-TiO
2海綿的Li-S電池的面容量高達21.5 mAh cm
-2，遠高于商用鋰離子電池（LIBs）的面容量（4 mAh cm
-2），并且與最近報道的S載量高于8 mg cm
-2 的Li-S電池系統相當。該策略還可以擴展到其他同軸/逐層異質結構的優化，并促進形成連續且匹配良好的界面，在儲能和催化方面具有廣闊的應用前景。
Figure 1. CNTs@TiN-TiO
2的制備及多硫化物轉化過程示意圖
Figure 2. CNTs@TiN-TiO
2-5的形貌表征。（a）CNTs@TiN-TiO
2-5的TEM圖，顯示了涂覆在CNT表面上的集成TiN-TiO
2異質結構；（b）CNTs@TiN-TiO
2-5的TEM圖及其C、O、N和Ti的相應元素映射，顯示了TiN-TiO
2異質結構的混合均勻分布。（c）CNTs@TiN-TiO
2-5的高分辨率TEM圖，顯示了TiN-TiO
2異質結構的良好匹配界面。
Figure 3 . CNTs@TiN-TiO
2-5的多硫化鋰吸附測試和相應的XPS表征。（a）將雜化物浸入Li
2S
6溶液（0.005 M）中，比較CNTs@TiN-TiO
2-2、CNTs@TiN-TiO
2-5和CNTs@TiN-TiO
2-10的多硫化物吸附能力；（b-c）CNTs@TiN-TiO
2-5中Ti 2p和N 1s在多硫化物吸附前后的XPS光譜。
Figure 4. 恒電位放電條件下的Li
2S沉積過程。（a）CNTs@TiN-TiO
2-2，（b）CNTs@TiN-TiO
2-5，（c）CNTs@TiN-TiO
2-10在2.05 V下的恒電位放電曲線。
Figure 5. CNTs@TiN-TiO
2-2、CNTs@TiN-TiO
2-5、CNTs@TiN-TiO
2-10的電化學性能。（a）在掃描速率為0.1 mV s
-1時的CV曲線，（b）恒電流充電和放電曲線，（c）EIS曲線；（d）CNTs@TiN-TiO
2-5、CNTs@TiN-TiO
2-2和CNTs@TiN-TiO
2-10在0.1-5 C時的倍率性能。
Figure 6. CNTs@TiN-TiO
2-2、CNTs@TiN-TiO
2-5、CNTs@TiN-TiO
2-10的循環性能。（a）CNTs@TiN-TiO
2-5、CNTs@TiN-TiO
2-2和CNTs@TiN-TiO
2-10在0.2 C下循環100次后的循環穩定性比較；（b）CNTs@TiN-TiO
2-5在1 C下的長期循環性能。
相關研究成果由日本沖繩科學技術大學院大學Yabing Qi課題組于2021年發表在《Nature Communications》（https://doi.org/10.1038/s41467-021-24976-y）上。原文：Long-life lithium-sulfur batteries with high areal capacity based on coaxial CNTs@TiN-TiO
2 sponge。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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