锌（Zn）金属具有理论容量高、工作电位适宜、资源丰富、本质安全、成本低等优点，被认为是水系电池最有前途的负极材料之一。然而，不可控的Zn枝晶生长和副反应带来的危害严重阻碍了其实际应用。

近日，山东大学冯金奎教授报道了为Zn金属负极设计了一种由电子导电硫掺杂（S掺杂）的三维（3D）Mxene骨架和离子导电ZnS组成的异质保护层（S/MX@ZnS@Zn）。采用原位蒸气−固体策略，同时实现了S掺杂和ZnS的生成。

文章要点

1）MAX前驱体通过HCl+LiF水溶液合成了MXene溶液。将混合溶液喷洒在纯Zn表面，形成S@MX@Zn复合材料。加热处理后，S@MX@Zn中间产物通过蒸气−固相法得到S/MX@ZnS@Zn。S可以在高温下蒸发。在此过程中，由于S的蒸发，MXene表面会形成三维多孔结构。在高温下，气态S分散到金属Zn表面，与Zn反应生成均匀的ZnS。

2）MXene作为一种二维（2D）材料，具有高金属导电性、出色的机械柔韧性、丰富的化学表面、优异的亲水性等特点。S掺杂的3D MXene通过降低Zn的电沉积极化，缓冲体积变化，起到物理屏障的作用，从而抑制了Zn枝晶的生长。离子导电ZnS可以保证Zn²⁺的均匀分布和迁移，并消除了副反应(如钝化、腐蚀、析氢等)。

3）在这些协同效应的作用下，研究人员获得了稳定的Zn负极，在1600 h以上具有显著的倍率性能和循环稳定性。研究人员探讨了保护层结构与Zn负极性能的关系。最后采用自支撑掺硫MXene@MnO₂正极，成功构建了一种高倍率、稳定、柔性的全电池。

这项工作对Zn金属负极和其他金属基电池系统的发展具有一定的借鉴意义。此外，对Zn金属负极和其他金属基电池系统的界面工程也有一定的指导意义。

参考文献

Yongling An, et al, Rational Design of Sulfur-Doped Three Dimensional Ti₃C₂T_x MXene/ZnS Heterostructure as Multifunctional ProtectiveLayer for Dendrite-Free Zinc-Ion Batteries, ACS Nano, 2021

DOI: 10.1021/acsnano.1c05934

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05934