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       室溫鈉硫(RT Na-S)電池在大規(guī)模儲能方面顯示出非凡的潛力。MXenes已被證明是Na-S電池很有前景的硫宿主，其表面官能團對其性能起著至關重要的作用。然而，MXenes的不同表面官能團對其錨定效應和催化性能的影響尚未得到系統(tǒng)的研究。本文利用密度泛函理論(DFT)研究了一系列Ti₂CT_x (T= O、S、N、F、Cl和Br) MXenes作為Na-S電池硫宿主的電化學性能。我們發(fā)現(xiàn)表面官能團顯著影響MXenes的結構性能和電化學性能。Ti₂CO₂, Ti₂CS₂和Ti2CN2對可溶性多硫化鈉具有顯著的親和力。此外，它們對硫還原反應和Na₂S分解反應具有良好的催化活性。最后，在整個放電過程中，Ti₂CO₂、Ti₂CS₂和Ti₂CN₂始終保持金屬導電，可以提高Na-S電池的速率能力。綜上所述，Ti₂CO₂, Ti₂CS₂和Ti₂CN₂被認為是Na-S電池有前景的雙功能硫宿主，我們的研究結果也可能對在其他應用中調(diào)節(jié)MXenes的性能具有啟發(fā)意義。
 
圖1  Ti2CTx的頂部和側(cè)視圖示意圖(a)，分子的優(yōu)化基態(tài)S8、Na2Sn(1≤n≤8)、DME、DOL (b)。
 
圖2. 給出了S8 (a)、Na₂S₈ (b)、Na₂S₆ (c)、Na₂S₄ (d)、Na₂S₂ (e)和Na2S (f)吸附在Ti₂CO₂表面的最穩(wěn)定構型和計算的結合能。
 
圖3 不同含硫物質(zhì)與Ti2CTx (T=O, S, F, Cl, Br和N)， DME之間的結合能。
 
圖4. S8與Ti₂CO₂、Ti₂CS₂和Ti₂CS₂表面吸附的各種NaPSs的vdW相互作用比Ti₂CN₂。
  圖5。側(cè)視圖中，S8 (a)、Na2S8 (b)、Na2S6 (c)、Na2S4 (c)、Na2S2 (d)、Na2S (d)在Ti2CO2單層上吸附過程中的電荷密度差。
  圖6 真空和Ti₂CT_x中硫還原反應的吉布斯自由能圖(T=O, S, N)。
  圖7 Na₂S在真空和Ti₂CT_x上的分解路徑(a)和相應的能量分布(b) (T=O， S, N);Na離子在Ti2CTx表面的擴散路徑(c)和能量分布(d) (T=O、S、N)。
  圖8 吸附S8 (a)、Na₂S₈ (b)、Na₂S₆ (c)、Na₂S₄ (d)、Na₂S₂ (e)和Na₂S (f)的總態(tài)密度(TDOS)
Ti₂CO₂。
 
        相關科研成果由山西師范大學化學與材料科學學院Jianfeng Jia等人于2022年發(fā)表在Nanoscale (DOI: 10.1039/D2NR03462J.)上。原文：Covalent Surface Modifications of Bifunctional Two-dimensional Metal Carbide MXenes as Sulfur Hosts for Sodium−Sulfur Batteries。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號