Cu2O/1T?MoS2莫特-肖特基异质结与多孔电纺碳纤维结合，用作锂硫电池（Li-S batteries）的多功能隔膜涂层

《Journal of Colloid and Interface Science》：Cu 2O/1T?MoS 2 Mott–Schottky heterojunction hybridized porous electrospun carbon fibers as multifunctional separator coating for Li-S batteries

Cu?O/MoS?异质结纳米片负载多孔电纺碳纤维涂层材料显著提升锂硫电池性能，通过Mott–Schottky效应增强LiPS吸附与催化转化， honeycomb结构促进离子传输，实现880.4 mAh/g高比容量和97.5%循环稳定性。

　　锂-硫（Li-S）电池因其高比能量和潜在的低成本而被视为下一代储能技术的重要候选者。然而，这种电池在实际应用中面临的主要挑战之一是多硫化物（polysulfides）的穿梭效应（shuttle effect）和缓慢的反应动力学（reaction kinetics），这些因素导致其循环稳定性较差，活性硫材料的利用率不高。为了克服这些限制，研究者们不断探索新的材料设计和结构优化方案。本文介绍了一种创新的涂层材料，该材料基于半导体性Cu?O与金属性1T-MoS?形成的Mott–Schottky异质结，并将其锚定在多孔电纺碳纤维（porous electrospun carbon fiber, p-CFs）骨架上，从而对商业Celgard隔膜进行改性，以提升Li-S电池的整体性能。

Mott–Schottky异质结是一种特殊的界面结构，其特点是能够通过电荷转移和界面相互作用实现高效的电子和离子传导。在Li-S电池中，这种结构不仅有助于减少多硫化物的穿梭效应，还能显著提高硫的利用率，进而增强电池的速率性能和长期循环稳定性。Cu?O因其较低的成本、丰富的自然储量以及优异的电子导电性而受到关注，它具有极性的Cu终端，能够作为多硫化物的化学吸附位点，从而实现强化学锚定，抑制穿梭效应。而MoS?则以其独特的电子结构和极性特性，在Li-S电池中常被用作多硫化物的固定剂、氧化还原催化剂以及锂金属的保护层。特别是二维（2D）MoS?纳米片，因其较大的比表面积和活性边缘位点的充分暴露，能够有效捕获和固定多硫化物。

为了进一步提升MoS?的性能，研究者们尝试将其与其他材料形成异质结构。其中，Cu?O与MoS?的组合尤为引人注目，因为它们能够形成Mott–Schottky异质结，从而在界面处产生内置电场，促进电荷的重新分布，形成稳定的正负电荷区域。这些区域不仅增强了Li?离子的传输能力，还促进了多硫化物的快速转化，并提供了丰富的活性位点以催化反应。此外，Mott–Schottky效应还能调节电子带结构，显著降低氧化还原反应的能量障碍，从而提升反应效率。

在实际应用中，MoS?的性能受到其易团聚以及固有导电性不足的限制。因此，研究者们尝试将MoS?整合到高导电性基底中，以解决这些问题。其中，电纺碳纤维（electrospun carbon fibers, CFs）因其优异的导电性和结构稳定性而成为一种理想的选择。p-CFs不仅能够有效减少MoS?的团聚，从而暴露更多的吸附位点和催化活性位点，还能提升复合材料的整体导电性，促进电子快速传输至催化位点，从而加快多硫化物的氧化还原动力学。这种结构优势使得基于p-CFs的Cu?O/MoS?异质结纳米片在Li-S电池中展现出卓越的性能。

本文所提出的涂层材料，即Cu?O/MoS?异质结纳米片阵列（h-NSs）负载在p-CFs上的复合结构，通过多种机制协同作用，实现了对多硫化物的高效吸附和催化转化，同时提升了Li?离子的传导能力。该材料的结构设计基于一个三阶段的合成方法，首先通过电纺技术结合水热和碳化处理制备p-CFs；其次在p-CFs表面生长MoS?纳米片，并通过热处理引入硫缺陷；最后，将Cu?O整合到MoS?纳米片阵列中，形成最终的复合材料。这一合成过程不仅具有良好的可扩展性，还能确保材料的均匀分布和结构稳定性。

此外，该材料的结构优势也体现在其独特的蜂窝状（honeycomb-like）架构上。这种结构能够为多硫化物提供丰富的吸附和拦截位点，从而有效减少穿梭效应，提高硫的利用率。同时，由于纳米片的非团聚分布，其表面能够充分暴露吸附和活性位点，进一步增强材料的催化性能。这种结构设计不仅提升了Li-S电池的电化学性能，还为未来高性能储能器件的开发提供了新的思路。

为了验证该材料的性能，研究者们进行了多种表征手段，包括场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和透射电子显微镜（TEM），用于观察材料的形貌结构。同时，能量色散X射线光谱（EDS）和EDS映射图像被用来分析材料的化学组成。X射线衍射（XRD）则用于测定材料的晶体结构。这些表征手段不仅揭示了材料的微观结构特征，还为理解其在Li-S电池中的功能提供了重要依据。

通过实验测试，该材料在Li-S电池中的表现显著优于未改性的Celgard隔膜。在硫负载量为1.0 mg·cm?2的情况下，电池在0.5C的电流速率下展现出高达880.4 mAh·g?1的比容量，且在200次循环后，比容量仍保持在858.8 mAh·g?1，意味着97.5%的容量保持率，容量衰减率仅为0.012% per cycle。这一结果表明，该材料在提升电池的速率性能和长期循环稳定性方面具有显著优势。

此外，该材料的优异性能还体现在其对多硫化物的高效吸附和催化转化能力上。通过引入硫缺陷，MoS?的吸附能力得到了显著增强，使其能够更有效地捕获和固定多硫化物。而Cu?O的化学吸附位点则进一步增强了这种吸附能力，同时促进了多硫化物的氧化还原反应。这种协同作用不仅提高了材料的电化学性能，还为Li-S电池的实际应用提供了新的可能性。

综上所述，本文提出了一种基于Mott–Schottky异质结的多功能涂层材料，该材料通过独特的结构设计和合成方法，实现了对多硫化物的高效吸附、催化转化和离子传导，从而显著提升了Li-S电池的性能。这一研究不仅为解决Li-S电池的关键问题提供了新的思路，还为未来高性能储能器件的开发奠定了基础。