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一、文章概述

鋅金屬具有理論容量大、工作潛力大、資源豐富、本質安全、成本低等優點，被認為是最有前途的水電池陽極候選材料之一。然而，枝晶生長和副反應帶來的危害阻礙了其實際應用。針對上述問題，設計并構建了由電子導電硫摻雜三維MXene和離子導電ZnS組成的Zn陽極非均質保護層。硫摻雜和在MXene上形成三維結構是在ZnS生成過程中同時實現的。摻硫3D MXene可以有效地均勻電場分布，降低局部電流密度，緩解體積變化。ZnS能抑制副反應，促進Zn2+均勻分布，加速Zn2+遷移。因此，獲得了穩定的無枝晶鋅陽極，具有明顯的循環穩定性高達1600 h和速率性能。探討了保護層結構與鋅陽極性能的關系。采用保護鋅陽極和懸空硫摻雜3D MXene@MnO2陰極，可獲得高能、長循環壽命、高速率的全電池。該工作為實用鋅陽極和其他金屬基電池系統的設計提供了方向。

二、圖文導讀

圖1.不同溫度下制備S/MX@ZnS@Zn的示意圖。

圖2.Zn在(a-f)原始Zn和(g-l) S/MX@ZnS@Zn-350陽極上以1 mA cm-2的電流密度與不同的沉積時間沉積的示意圖(a, g) 0 h, (b, h) 1 h, (c, (i) 2 h, (d, j) 5 h, (e, k) 10 h, (f, l) 20h。

圖3.S/MXene@MnO2的制備與表征。(a) S/MXene@MnO2的綜合方案。(b) MXene、MnO2和S/MXene@MnO2的XRD譜圖，(c) Raman譜圖和(d) XPS譜圖。(e) (e) S 2p，(f) C 1s，(g) Ti 2p，(h) Mn 2p和(i) O 1s元素的高分辨率XPS譜。(j) S/MXene@ MnO2的俯視圖和(k)橫斷面SEM，(l)數碼照片和(m, n) EDS元素映射。

圖4.以S/MXene@MnO2為陰極，以原始鋅箔或S/ MX@ZnS@Zn-350為陽極的水充電池示意圖。

三、全文總結

綜上所述，設計了一種由電子導電硫摻雜3D MXene和離子導電ZnS組成的非均質保護層。該層的優點可以總結為(1)硫摻雜與ZnS的生成同時實現。(2)摻硫3D MXene通過均勻化電場分布，降低局部電流密度，緩解體積變化，可以有效引導Zn電沉積的均勻性。(3) ZnS能促進Zn2+均勻分布，加速Zn2+遷移，抑制副反應(鈍化、腐蝕、析氫等)。(4)保護界面在ZnSO4水溶液中具有較高的穩定性，通過避免電解質引起的副反應和調節Zn的電鍍/剝離行為，增強了Zn陽極的可逆性。在這些協同效應的作用下，鋅陽極具有顯著的倍率性能和1600 h以上的循環穩定性，并探討了保護層結構與鋅陽極性能的關系。高速率、穩定和靈活的全電池還構建了一個獨立的硫摻雜MXene@ MnO2陰極。該工作為鋅金屬陽極和其他金屬基電池系統的發展提供了思路。該工作也可指導鋅金屬陽極和其他金屬基電池系統的界面工程。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05934

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