同济大学/喀什大学马杰教授团队AFM：分子插层和电子调制工程实现1T-MoS₂脱溶调控，助力高效节能产水

第一作者：任一帆

通讯作者：马杰，于飞，李新贵

通讯单位：同济大学

论文DOI：10.1002/adfm.202502601

图文摘要

本文亮点

• 基于电子调制和层间距扩展的双结构工程策略合成了氮掺杂层状碳插层的1T-MoS2超晶格纳米花，具有优异的离子扩散能力和电子导电性。

• 1T-MoS2-NC表现出优异的可逆脱盐能力(80.9 mgNaCl g−1)、出色的倍率性能(2.7 mgNaCl g-1 min-1)和卓越的循环稳定性(150次循环后容量保留率为91.0%)；

• 基于EQCM-D和DFT模拟，首次探究了Na(H2O)x+脱溶行为对脱盐性能提升具有促进作用。

研究背景

电化学Na+捕获被认为是大规模储能和微咸水净化系统的有前途的候选者。在水溶液中，钠离子通常以水合离子（Na(H₂O)x⁺，其中x的取值范围为0 ~ 5）的形式存在，其半径为2.4 ~ 2.5 Å，明显大于未水合的Na⁺（0.98 ~ 1.07 Å）。如此大的水合离子半径增大了Na+从电解质到电极内部的扩散屏障，导致存储动力学缓慢。因此，Na(H₂O)x⁺的脱溶被认为是决定电化学过程动力学的主要步骤。在脱盐过程中，不可逆的水嵌入会占据活性位点，降低Na+的存储容量，水分子的高极性会导致严重的结构降解和容量衰减。作为一种典型的层状过渡金属硫化物（TMS），具有石墨状结构的MoS2由于其丰富的活性位点和独特的层状结构而备受青睐。然而，由于不可逆的结构演变和层间距不足，MoS2表现出较差的循环稳定性和有限的离子传输速率，严重阻碍了其商业应用。值得注意的是，所有这些挑战都直接或间接地与电极/电解质界面的离子脱溶过程有关。因此，设计具有调节溶剂化行为的MoS2电极材料对于高性能钠离子存储至关重要。有鉴于此，同济大学马杰教授、李新贵教授和上海海洋大学于飞教授合作，采用电子组态调制和分子插层的双结构工程策略，制备得到了具有脱溶调控的氮掺杂层状碳插层的1T-MoS2超晶格纳米花电极。该材料展现了高容量、快速率、低能耗以及优异循环稳定性的盐离子去除性能。该研究揭示了脱溶调节对钠离子存储的促进作用，为先进的电化学水溶液离子存储应用铺平了道路。

图文导读

• 制备与表征

本研究采用溶剂热法和高温碳化，以三聚氰胺为还原剂，通过分子插层和电子注入制备得到了具有1T相和层间距扩展的MoS2超晶格纳米花电极。相关分析测试表明，1T-MoS2-NC具有丰富的1T相三角形晶格区且层间距扩展为1.08 nm。

图1材料制备与形态表征

XRD、Raman和XPS测试证明了1T-MoS2-NC的成功合成。TGA测定了1T-MoS2-NC中MoS2的含量为79.5%。BET结果则证明1T-MoS2-NC具有较高的比表面积和合适的孔径分布，有利于增加电化学活性区域和位点并保证快速高效的Na+存储。

图2物相和化学成分分析

• 电化学性能

电化学测试表明，1T-MoS2-NC电极展现了更高的电化学容量和优异的循环稳定性、更低的内阻和界面转移电阻以及更高的电荷载流子浓度。

图3电化学性能测试

• 除盐性能

脱盐测试表明，1T-MoS2-NC电极展现了80.9 mg g-1的脱盐容量、2.7 mg g-1 min-1的平均脱盐速率，0.43 kWh kg-1-NaCl的低能耗，150次循环后的容量保持率可达91.0%，远高于2H-MoS2 (41.7%)。这些结果有力地证明了1T-MoS2-NC在CDI应用中具有稳定、高效和低能耗的优势。

图4脱盐性能与长循环稳定性测试

• 过程机制和内在机理

异位Raman和XPS测试表明，1T-MoS2-NC在充放电过程中会由1T相转变为2H相，最终变为1T相，表现出高度可逆的Na+插层/脱嵌特性。基于阿伦尼乌斯方程计算得到1T-MoS2-NC的脱溶能为19.68 kJ mol-1，远小于2H-MoS2的58.75 kJ mol-1。此外，EQCM测试也证明了1T-MoS2-NC具有更强的去溶剂化能力，这主要归因于阳离子-π相互作用和空间位阻效应。

图5异位表征和EQCM测试

第一性原理计算结果揭示，2H-MoS2对水合Na+的脱溶能为2.65 eV，明显高于1T-MoS2-NC的2.06 eV。1T-MoS2-NC的Na+扩散能垒明显较低（0.22 eV），约为2H-MoS2的三分之一。因此，通过多种策略的组合的1T-MoS2-NC电极具有优异的可逆脱盐能力、出色的速率性能和出色的循环稳定性。电子组态调制和分子插层的双结构工程策略对于构建具有快速脱溶和离子迁移动力学的电极是非常有前景的，这对于扩大电化学水溶液离子存储的实际应用具有重要意义。

图6 DFT计算与机理示意图

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202502601

课题组介绍：https://nano.tongji.edu.cn/

第一作者介绍

任一帆

任一帆，同济大学环境科学与工程学院2021级博士研究生，导师为马杰教授，研究方向为电化学去离子分离电极的开发和应用等。相关研究成果发表于Advanced Functional Materials, Materials Horizon, Materials Today Chemistry等期刊。

通讯作者介绍

马杰

马杰，教授，博士生导师，喀什大学土木工程学院院长（援疆），长期致力于（电）吸附分离污染控制技术研究和应用，主持4项国家自然科学基金及多项省部级课题，在Nat. Water, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Nano Let., Adv. Sci., Small, Research, Water. Res., Environ. Sci. Technol.等期刊以第一/通讯作者发表SCI论文150余篇，ESI高被引/热点论文30篇/次，论文总他引11279次（WOS），参编英文专著3部，授权中国发明专利20项。担任Sci. Rep.、Chinese Chem. Lett.、Sustainable Horizons、物理化学学报等期刊编委，Nanomaterials、Frontiers in Environmental Science客座编辑，新疆工程材料与结构重点实验室学术委员会主任，新疆节能减排专家委员会学术委员会副主任，中国化学会高级会员、中国有色金属学会环境保护学术委员会委员等，入选“上海市东方英才计划拔尖项目”，“上海市人才发展基金”、同济大学“中青年科技领军人才”和“百人计划”等，获上海市自然科学二等奖（1/5），河南省自然科学奖三等奖、中国化工学会基础研究成果奖二等奖等，2016-2019连续四年荣获Publons环境与生态及交叉学科领域“顶级审稿专家”荣誉，担任中国环境科学学会年会《环境修复材料》分会主席，中国材料大会《环境分离净化材料与技术》分会主席，2020-2024年连续五年入选斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家榜单”，2022年入选科睿唯安“交叉学科”领域全球“高被引科学家”，2024年入选“中国高被引学者”。

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