Small Methods: 三元二维过渡金属磷硫化合物纳米片的普适性制备及优异锂钠存储性能

近年来,在面内和层间分别以共价键成键和弱范德瓦尔斯力结合的二维材料,如石墨烯及其衍生物、黑磷、氮化碳、过渡金属氧化物和硫化物,因具有独特的层状结构、良好的离子/电子传输性和种类多样性等优势,在催化、传感、能源存储等领域得到了广泛关注。然而,上述二维层状材料一般都包含一种或两种元素,急需扩展和研究其他多元类二维层状材料。

过渡金属磷硫化合物是一大类包含三种及以上元素的二维层状材料,通常具有类似CdCl2晶体的准六方结构。该材料最早在1894年被M. Friedel等人所制备出来,随后这类材料在磁性、氢存储、二次电池、光电催化和转化等领域有研究报道。早期所制备的这类材料一般都是块体结构,大大限制了该材料的应用研究。近年来,虽有少数文献报道通过超声辅助剥离方法获得层纳米片状结构。然而,超声液相剥离法通常需要长时间处理,产率和效率较低,并且表面活性剂的使用容易导致纳米片的尺寸和厚度不可调控,甚至会产生大量结构缺陷。为了进一步扩展该材料的应用前景,需要找到更高效、可控的制备方法以及探索其新的应用领域。

最近,新加坡南洋理工大学的颜清宇教授及其团队采用过渡金属氢氧化物纳米片为前驱体,通过一步封管法同时实现磷化和硫化,得到了高质量的三元二维过渡金属磷硫化合物纳米片,这些单晶纳米片横向尺寸约60-400 nm,厚度约10-20 nm。该制备方法不需要使用表面活性剂,也不需要超声,具有普适性好、简单、高效、可规模化制备等优点。由于其具有超薄结构和更多暴露活性面,这类过渡金属磷硫化合物纳米片表现了突出的电化学储锂和钠性能。具有良好的可逆容量(Li+ >1100 mAh/g和Na+ > 900 mAh/g)和优异的倍率性能(在 10 A/g时,维持Li+~400 mAh/g;在 5 A/g时,维持Na+~ 300 mAh/g)和良好的循环稳定性。此外,还可通过室温有机胺插层的方法扩大这类材料的层间距,进一步提高其电化学储锂和钠性能。相关成果近期发表于Small Methods (10.1002/smtd.201700304)。