长续航电动汽车和低成本储能电网的发展需求促进了新一代二次电池的研发。锂硫电池具有超高的理论能量密度(2600 Wh/kg)、正极硫价格低廉、环境友好性等优点；但是多硫化物的“穿梭效应”、缓慢的反应动力学及反应过程中大体积膨胀等问题严重阻碍了锂硫电池的实际应用，成为实验室研究攻克的重点。近年来，提高储硫材料对多硫化物的吸附性能一直是研究的重点，这也有效地缓解了穿梭效应。但是，锂硫电化学是复杂的多步骤反应，仅仅提高吸附性能难以改善反应动力学缓慢的问题。近来，催化作用被认为是解决锂硫电池缓慢的电化学反应和穿梭效应的有效手段。同时，二维MXene材料因其超高的电导率和独特的二维结构在储能材料领域获得了广泛研究。

1. 采用原位氮化技术制备了仅有数纳米的超薄MXene-TiN异质结，极大地缩短了电子的扩散距离，提高了异质结对多硫化物转化的催化作用。

2. DFT计算分析表明，MXene-TiN异质结具有优越的电子结构，可以有效吸附多硫化物，并降低了硫化锂的成核势垒，对硫化锂沉积和分解具有双向催化作用。

3.S/MXene-TiN复合正极电化学性能优异，大倍率5C稳定循环1000次，每循环衰减率仅为0.022%；并且在大载硫量(10.16 mg/cm²)、贫电解质(7.84 μL/mg)条件下，输出了8.27 mAh/cm²的超大面积容量。

如图1a所示，通过对MXene纳米片进行可控氮化，在MXene表面原位生长一层TiN，第一次成功合成了MXene-TiN超薄异质结，去除模板后构造空心球状结构。通过XRD测试(图1b)，证明MXene被部分氮化形成TiN相。通过扫描电镜、透射电镜测试可以观察到超薄的层状结构；在高分辨透射电镜下，观察到原子尺度的异质结界面，证实了MXene-TiN异质结的成功制备。使用XPS进一步探究了异质结的物相组成。由于空心球状结构防止了超薄异质结的堆叠，增大了材料的比表面积(图2e)，使之可以暴露出大量的活性吸附和催化位点，提高了表面利用率。更重要的是，空心结构提供了储硫的大量空间，对提高电极的载硫量至关重要。

图1. (a)MX-TiN及S/MX-TiN的合成示意图；(b)Ti₃AlC₂、Ti₃C₂TₓMXene及MX-TiN的XRD图谱；(c-e) MX-TiN的形貌表征；(f)MX-TiN的高分辨TEM图可以观察到异质结晶界；(g)MX-TiN的元素分布图。

图2. (a-c) MX-TiN的XPS精细谱图；(d)MX-TiN的EDS元素分析及含量；(e)MX-TiN、MX-TiO₂及MXene的氮气吸附脱附曲线；(f)不同样品的热重曲线。

II 吸附机理

首先使用密度泛函理论(DFT)构建了异质结模型，获得了稳定的异质结结构。并模拟了MX-TiN及纯MXene对多硫化锂的吸附模型，计算得到MX-TiN对各级硫化物(Li₂S₈-Li₂S₆- Li₂S₄- Li₂S₂-Li₂S)的吸附能明显大于纯MXene，这有效地遏制了多硫化物的穿梭效应。同时，通过更直观的可视化吸附实验再次验证了MX-TiN对多硫化物有明显的吸附作用。进一步对吸附多硫化物的MX-TiN进行XPS分析，S₂p谱显示出多硫化锂、硫代硫酸盐和连多硫酸盐的共存，证明了MX-TiN对多硫化物的强相互作用。强有力的吸附是缓解多硫化物穿梭效应的基础，可以有效遏制锂硫电池的容量衰减。

图3. (a) MX-TiN及MXene对Li₂S₆的优化吸附模型；(b)MX-TiN及MXene对不同多硫化锂的吸附能对比；(c)可视化吸附实验；(d)吸附后多硫化锂溶液的紫外可见光吸收谱；(e)MX-TiN吸附多硫化锂后的硫元素XPS谱。

III 催化性能研究

图4. (a) 多硫化锂在MX-TiN及MXene表面的转化势垒；(b)对称电池的CV曲线；(c-e)不同样品的硫化锂沉积曲线；(f)S/MX-TiN不同充放电位置的非原位Raman曲线；(g)S/MX-TiN在不同扫速下的CV曲线；(h)I-v1/2线性拟合。

图5. (a-c) 不同样品对多硫化锂的吸附及催化机理示意图。

IV 电化学性能测试

基于MX-TiN，制备出S/MX-TiN复合正极并测试了其电化学表现。图6a-d为小载硫量锂硫电池测试，5C大倍率下循环1000次，每循环容量衰减率仅为0.022%，平均库伦效率高达99.3%，展现了优异的长循环稳定性。更值得关注的是，S/MX-TiN复合正极在大载硫量、贫电解质的条件下(图6e-g)，依然展现突出的面积容量，对比其他文献具有相当的竞争力。

图6. (a) 不同正极的充放电曲线对比；(b)倍率测试；(c)0.2C循环测试；(d)5C循环测试；(e)S/MX-TiN在5.15 mg/cm⁻²硫载量及11.61 μL/mg电解液条件下的倍率测试；(f)S/MX-TiN在不同载硫量及不同电解液含量下的0.2C循环测试；(g)文献对比。