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       室溫鈉硫(RT Na-S)電池在大規模儲能方面顯示出非凡的潛力。MXenes已被證明是Na-S電池很有前景的硫宿主，其表面官能團對其性能起著至關重要的作用。然而，MXenes的不同表面官能團對其錨定效應和催化性能的影響尚未得到系統的研究。本文利用密度泛函理論(DFT)研究了一系列Ti₂CT_x (T= O、S、N、F、Cl和Br) MXenes作為Na-S電池硫宿主的電化學性能。我們發現表面官能團顯著影響MXenes的結構性能和電化學性能。Ti₂CO₂, Ti₂CS₂和Ti2CN2對可溶性多硫化鈉具有顯著的親和力。此外，它們對硫還原反應和Na₂S分解反應具有良好的催化活性。最后，在整個放電過程中，Ti₂CO₂、Ti₂CS₂和Ti₂CN₂始終保持金屬導電，可以提高Na-S電池的速率能力。綜上所述，Ti₂CO₂, Ti₂CS₂和Ti₂CN₂被認為是Na-S電池有前景的雙功能硫宿主，我們的研究結果也可能對在其他應用中調節MXenes的性能具有啟發意義。
 
圖1  Ti2CTx的頂部和側視圖示意圖(a)，分子的優化基態S8、Na2Sn(1≤n≤8)、DME、DOL (b)。
 
圖2. 給出了S8 (a)、Na₂S₈ (b)、Na₂S₆ (c)、Na₂S₄ (d)、Na₂S₂ (e)和Na2S (f)吸附在Ti₂CO₂表面的最穩定構型和計算的結合能。
 
圖3 不同含硫物質與Ti2CTx (T=O, S, F, Cl, Br和N)， DME之間的結合能。
 
圖4. S8與Ti₂CO₂、Ti₂CS₂和Ti₂CS₂表面吸附的各種NaPSs的vdW相互作用比Ti₂CN₂。
  圖5。側視圖中，S8 (a)、Na2S8 (b)、Na2S6 (c)、Na2S4 (c)、Na2S2 (d)、Na2S (d)在Ti2CO2單層上吸附過程中的電荷密度差。
  圖6 真空和Ti₂CT_x中硫還原反應的吉布斯自由能圖(T=O, S, N)。
  圖7 Na₂S在真空和Ti₂CT_x上的分解路徑(a)和相應的能量分布(b) (T=O， S, N);Na離子在Ti2CTx表面的擴散路徑(c)和能量分布(d) (T=O、S、N)。
  圖8 吸附S8 (a)、Na₂S₈ (b)、Na₂S₆ (c)、Na₂S₄ (d)、Na₂S₂ (e)和Na₂S (f)的總態密度(TDOS)
Ti₂CO₂。
 
        相關科研成果由山西師范大學化學與材料科學學院Jianfeng Jia等人于2022年發表在Nanoscale (DOI: 10.1039/D2NR03462J.)上。原文：Covalent Surface Modifications of Bifunctional Two-dimensional Metal Carbide MXenes as Sulfur Hosts for Sodium−Sulfur Batteries。

轉自《石墨烯研究》公眾號