郑州大学李丹CEJ:通过d-p轨道耦合与离子极化协同作用构建In₂S₃/MoS₂异质结实现超稳定钠存储

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钠离子电池作为锂离子电池的重要替代技术，近年来受到广泛关注。钠元素储量丰富、分布广泛且成本低廉，使其在大规模储能领域具有显著优势。然而，钠离子半径较大、质量较重，导致其在电极材料中的嵌入/脱出动力学缓慢，且容易引起宿主材料的结构坍塌。因此，开发具有高容量、优异循环稳定性和快速反应动力学的负极材料成为钠离子电池研究的关键挑战。在众多候选材料中，金属硫化物因其较高的理论比容量和丰富的氧化还原反应位点而备受关注。硫化铟（In₂S₃）作为一种典型的III-VI族半导体，具有层状结构和较高的理论容量，且毒性较低，展现出良好的应用前景。然而，In₂S₃在实际应用中面临两大瓶颈：一是其本征电导率较低，限制了电子传输效率；二是在充放电过程中存在严重的体积膨胀问题，导致电极结构粉化和容量快速衰减。为解决这些问题，研究人员尝试通过构建异质结构、设计纳米形貌和引入缺陷工程等手段来改善材料性能。其中，构建异质结界面被认为是调控电子结构、加速电荷转移的有效策略。通过合理匹配能带结构和界面相互作用，异质结界面可以产生内建电场，促进离子和电子的协同传输，从而提升电极的倍率性能和循环稳定性。

在这项研究中，研究人员采用溶剂热法成功制备了In₂S₃/MoS₂异质结构，并系统研究了其作为钠离子电池负极材料的电化学性能及储能机理。该研究的核心创新在于揭示了异质界面处d-p轨道耦合与离子极化的协同作用机制。具体而言，在In₂S₃与MoS₂的接触界面，Mo⁴⁺的空d轨道接受来自S²⁻的p轨道电子捐赠，形成电子云共享和共价键特征；同时，高价态的In³⁺对S²⁻电子云产生强烈的极化作用，增强了离子键特性。这两种效应的协同作用不仅稳定了异质界面结构，还引发了电荷重新分布，形成了从MoS₂指向In₂S₃的内建电场。该电场有效加速了电子转移和钠离子迁移过程。通过原位和非原位表征手段，研究人员详细阐明了该材料的多步储钠机制，包括嵌入反应、转化反应和合金化反应，并证实了其优越的反应动力学特征。电化学测试结果表明，In₂S₃/MoS₂电极在8 A g⁻¹的高电流密度下循环3000次后仍保持551.3 mA h g⁻¹的高比容量，在10 A g⁻¹的超高倍率下仍能提供433.9 mA h g⁻¹的容量。值得注意的是，该材料无需依赖外部导电包覆即可实现本征高电化学性能，简化了材料制备工艺。

该研究通过d-p轨道耦合与离子极化协同效应成功构建了稳定的In₂S₃/MoS₂异质结构，为设计高性能钠离子电池负极材料提供了新思路。研究结果表明，界面工程是提升金属硫化物储钠性能的有效途径。内建电场的引入显著改善了电子和离子的传输动力学，而多步反应机制的协同作用则保证了高容量输出。该电极材料展现出的超长循环寿命和优异倍率性能，证明了其在实际储能应用中的潜力。这项工作不仅深化了对异质界面电子结构调控机制的理解，也为其他过渡金属硫化物基电极材料的设计提供了理论指导。未来研究可进一步探索该材料在全电池体系中的性能表现，以及该界面工程策略在其他储能体系中的普适性应用。