DOI: 10.1021/acsnano.1c00804

室温钠硫（RT Na-S）电池是一种低成本、高能量密度的替代储能系统之一。然而，由于硫正极在充放电过程中的低转化动力学和多硫化钠（NaPSs）的溶解，从而导致了循环稳定性和容量较差的两大关键问题。在此，研究者通过在多通道碳纤维中构建异质结构制备了高度稳定的RT Na-S电池正极。由静电纺丝和氮化技术制备的TiN-TiO2@MCCFs负载有活性物质S，形成了可作为RT Na-S电池正极的S/TiN-TiO2@MCCFs。在0.1 A g-1下，该正极在100次循环内产生了超过640 mAh g-1的容量，库仑效率接近100％。即使在5 A g-1下，电池在1000次循环后仍具有257.1 mAh g-1的容量。将结构和电化学分析与第一性原理计算相结合表明，TiN的高电催化活性与TiO2的强大化学吸附相结合可以很好地稳定S，并且还可以减轻多硫化物的穿梭效应。这项工作工艺简单，成本低廉，有望促进金属硫电池的进一步开发和应用。

图1.TiN-TiO2异质结构的设计原理示意图。

图2.TiN-TiO2异质结构的形态表征。（a-c）S/TiN-TiO2@MCCFs的SEM图像，插图是通过静电纺丝法制备的电极。（d-f）所制备的TiN、TiO2和TiN-TiO2结构的高分辨率TEM图像。（g）S/TiN-TiO2@MCCFs的元素映射。

图3.TiN-TiO2异质结构的结构表征。（a）TiN@MCCFs、TiN-TiO2@MCCFs和TiO2@MCCFs的XRD图谱。（b）TiN-TiO2@MCCFs、S/TiN-TiO2@MCCFs和硫粉的XRD图谱。（c）S/TiN-TiO2@MCCFs和S/MCCFs样品的TG曲线。（d-f）硫负载前后，S/TiN-TiO2@MCCFs样品的N1s和S2p高分辨率XPS光谱，以及TiN-TiO2@MCCFs样品的Ti2p高分辨率XPS光谱。

图4.RT钠-硫电池测试。（a）S/TiN-TiO2@MCCFs和S/MCCFs在0.1 A g-1下的循环性能。（b）S/TiN-TiO2@MCCFs在0.1 A g-1下的放电/充电曲线。（c）S/TiN-TiO2@MCCFs最初五个循环的循环伏安图。（d）S/TiN-TiO2@MCCFs的倍率性能。（e）100次循环后，S/TiN-TiO2@MCCFs和对比样品在0.1 A g-1下的放电/充电曲线。（f）比较以往报告中的倍率性能。（g，h）S/TiN-TiO2@MCCFs在1 A g-1和5 A g-1下的循环性能。

图5.NaPSs在TiO2、TiN和TiN-TiO2异质结构上的吸附和转化。（a）Na2Sx与TiO2结合的优化构型。（b）吸附在MCCFs、TiN和TiO2表面上的Na2S和Na2S4的结合能值。（c）Na+在TiN和TiO2表面迁移的能谱。（d）Na+在TiN表面迁移的几何形状。

图6.NaPSs吸附-转化的实验证明。（a）对多硫化物的可见吸附性，以及在暴露于MCCFs、TiN@MCCFs、TiN-TiO2@MCCFs和TiO2@MCCFs后溶液的相应照片。（b-e）Na2S6/EC/PC溶液在不同表面上的恒电位放电曲线。（f）Na2Sx吸附-转化机理示意图。