第一作者：任一帆

通讯作者：马杰，李新贵

通讯单位：同济大学

论文DOI：10.1039/D5MH00870K

图文摘要

本文亮点

■通过“微-宏”界面工程设计首次将ZnS/SnS₂@SG应用于CDI并实现优异的可逆脱盐容量；

■软/硬界面和异质界面有效缓解体积膨胀并提升电荷传输效率；

■通过密度泛函理论计算吸附能和扩散能垒揭示内电场对脱盐性能的促进作用。

研究背景

过渡金属硫化物（TMS）是一类新兴的功能纳米材料，其中SnS₂以其快速离子插层和高电化学容量脱颖而出。然而，固有低电子导电性和急剧的体积膨胀，导致不良的速率性能和严重的容量衰减。已经通过构建精细纳米结构和缺陷工程等方法来解决这些短板，但颗粒团聚和缺陷浓度控制等问题仍困扰着电极性能。因此，需要独特的结构设计与合成策略以有效缓解SnS₂的性能缺陷。有鉴于此，同济大学马杰教授、李新贵教授和上海海洋大学于飞教授合作，设计了一种具有“微-宏”观界面工程的ZnS/SnS₂@SG多孔杂化网络，通过软硬界面和异质界面改善了电化学反应动力学并有效缓解长循环过程中的体积膨胀，展现了高容量、快速率、低能耗以及优异循环稳定性的盐离子去除性能。本研究展示的界面工程策略在指导下一代电化学离子捕获的材料创新方面显示出巨大的潜力。

图文导读

制备与表征

通过自模板法和原位高温硫化合成了硫掺杂石墨烯包覆的ZnS/SnS₂微盒。相关分析证实ZnS/SnS₂@SG具有空心结构和丰富的异质结，有利于电解液的渗透和电荷转移。EDS元素映射显示，Sn、Zn和S元素在空心立方体中均匀分布。

图1材料制备与形态表征

XRD和XPS测试证明了ZnS/SnS₂@SG的成功合成。BET结果则表明ZnS/SnS₂@SG具有较高的比表面积和合适的孔径分布，有利于增加电化学活性区域和位点并保证快速高效的Na⁺存储。UV-vis光谱测得ZnS/SnS₂@SG具有最小的带隙值，表明内电场可以有效地减小带隙，显著提高本征电导率。

图2物相和化学成分分析

CDI测试表明，ZnS/SnS₂@SG电极展现了109.7 mg g^-1的脱盐容量、3.65mgg^-1min^-1的平均脱盐速率，0.65kWh kg^-1-NaCl的低能耗， 200次循环后的容量并没有明显衰减，远高于SG、ZnS和SnS₂。这些结果有力地证明了ZnS/SnS₂@SG在脱盐中具有高性能、稳定和低能耗的优势。

图3CDI性能与循环稳定性测试

电化学测试中ZnS/SnS₂@SG电极展现出优异的电化学容量和循环稳定性、更低的界面转移电阻、更高的电荷载流子浓度以及快速的离子扩散系数。

图4电化学性能测试

密度泛函理论计算表明ZnS/SnS₂@SG对于Na⁺具有更强的吸附能，更低的扩散能垒。ZnS/SnS₂异质结的电荷分布不平衡，电子倾向于从Zn–S键向Sn–S键转移，导致ZnS与SnS₂之间形成强烈的界面电子耦合。ZnS/SnS₂@SG的“宏-微”观界面工程不仅促进了Na⁺的快速动态插层过程，还提升了电导率和电化学容量，确保了卓越的脱盐性能和长循环稳定性。

图5 DFT模拟计算

文献链接：https://doi.org/10.1039/D5MH00870K