新疆大学王鲁香研究员，Small观点：协同表面限域和异质结界面调控策略提高InSe-PPy的钠离子存储性能

第一作者：陈朋磊，裴向东

通讯作者：王鲁香*，李丹*

单位：新疆大学，郑州大学

钠离子电池（SIBs）作为锂离子电池的理想替代品，因其丰富的资源和与锂离子电池相似的离子存储机制而受到人们的广泛关注。然而，比Li ⁺ 半径大的Na+在嵌入/脱出过程中会导致电极材料的离子扩散缓慢和体积变化大。因此，寻找新型的具有稳定结构的钠离子电池负极材料迫在眉睫。作为二维层状金属硒化物的成员之一的硒化铟（InSe）是一种具有高载流子迁移率、带隙可调和延展性好的半导体材料。层状InSe由平面内强的共价键Se─In─In─Se层和平面外相对较弱的相互作用的范德华力组成，这有望实现理想的离子嵌入/脱出。此外，由于其多价态和高载流子迁移率，InSe与离子可以进行多步的转化和合金化反应，确保了较高的理论容量。

鉴于此， 新疆大学王鲁香研究员和郑州大学李丹副教授合作 ，在国际知名期刊 Small 上发表题为 “Synergy Between Surface Confinement and Heterointerfacial Regulations with Fast Electron/Ion Migration in InSe-PPy for Sodium-Ion Storage” 的研究论文。该工作报道了用化学气相传输法和化学氧化聚合法合成聚吡咯（PPy）封装的InSe纳米片（InSe@PPy）复合材料。论证了嵌入、转化反应和合金化反应的复合反应机理。密度泛函理论（DFT）计算证明了InSe-PPy异质结界面加速了电子/离子的转移，降低了Na+的扩散势垒。异质结界面和结构限域之间的协同作用提高了电化学性能。

采用化学气相传输法以及吡咯单体原位聚合的方法制备了二维层状InSe@PPy纳米片。简单地说，将吡咯单体在InSe纳米片上聚合生成导电涂层，以保证材料结构和循环的稳定性，并提高导电率。通过X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱等测试手段进行物相表征，证实了PPy成功地包覆在了InSe表面，结合扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行微观结构的表征，可以观察到所制备的材料呈现纳米片的结构。

合成的InSe@PPy显示出优越的钠储存性能（在1 A g ^-1 条件下经过500个循环后的比容量达到336.4 mA h g ^-1 ，在5 A g ^-1 下为274.4 mA h g ^-1 ），优于大多数硒化铟基电极，显示出在高性能钠离子电池方面的潜力。值得注意的是，为了进一步了解循环过程中容量的衰减、增加和稳定的变化趋势，我们分析了三个区域不同循环圈数下的恒电流充放电（GCD）曲线以及其微分容量（dQ/dV）曲线。结果表明，前30个循环过程中，转化反应和合金化反应过程的容量贡献较少。接下来的120个循环是容量的增加过程，伴随着转化反应和嵌入反应的突出贡献，这可以归因于随着反应的进行，更多活性位点的暴露和由于颗粒尺寸的不断减小，缩短了离子/电子的扩散途径。150个循环后，容量保持稳定，此过程中合金反应逐渐消失，多步的Na+嵌入和转化反应（主导）共同贡献了整个放电过程的容量。其中合金反应的消失可能是在深度放电状态下金属In的失活所致。

以不同扫速进行循环伏安测试继而计算不同反应行为对于容量的贡献占比。通过在不同温度下的阻抗测试计算出InSe@PPy具有较低的活化能，这表明InSe@PPy中的活化分子的比例高（与InSe相比），电化学反应动力学快。恒流间歇滴定技术测试结果揭示了Na+在InSe@PPy中具有较快的扩散动力学。

通过原位XRD，非原位EIS和非原位TEM对InSe@PPy电极的储钠机理进行探究。揭示了逐步发生的嵌入-转化-合金复合储钠机理，证实了在循环过程中电极材料可逆的钠储存过程。

通过对InSe和PPy建立异质结构模型进行第一性原理计算，异质结构的构建可以诱发内建电场的产生，提供了额外的驱动力加速电子转移，协同增强了结构稳定性、电导率和Na+的扩散。此外，计算结果显示InSe-PPy界面处的Na+迁移势垒值更低（路径1），表明异质结界面对改善迁移动力学有着积极作用。理论计算很好地揭示了InSe@PPy电极材料优异的电化学性能的原因。

Synergy Between Surface Confinement and Heterointerfacial Regulations with Fast Electron/Ion Migration in InSe-PPy for Sodium-Ion Storage

王鲁香 ，新疆大学化学学院研究员，博士生导师。主要从事煤基碳材料及其复合材料的制备、改性和应用等方面的研究工作，在Appl. Catal. B-Environ., J. Mater. Chem. A., Carbon, ACS Appl. Mater. Interfaces等学术期刊上发表论文50余篇，先后主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金地区项目、自治区重点研发专项等省部级以上科研项目10余项。

陈朋磊 ，新疆大学化学学院在读博士研究生。主要研究方向为钠离子电池负极材料的设计与机制研究。

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