DOI: 10.1021/acsami.2c16578

本研究采用微乳液静电纺丝法合成了具有轴向排列圆柱形孔道的分层多孔TiO2-x/C纳米纤维（NFs），作为锂硫电池（LSBs）的硫（S）宿主。探索了具有氧缺限的配位不饱和Ti3+核（或更广泛地通过极性O-Ti-O单元）增强的协同化学捕集，以及在窄孔（<5nm）和由薄壁分隔的较大有序孔隧道（20-100nm）中的物理捕集，从而使得大体积的活性材料溶解并在通道内快速扩散，同时有效阻挡可溶性多硫化锂的扩散。由于这种独特的结构和增强的导电性，所制备的材料能够实现高S负载（约72%），并显著降低穿梭效应。因此，复合TiO2-x/C@S正极显示出活性材料的高利用率、优异的倍率性能和良好的循环稳定性（当天线容量为1.5mAh/cm2时，经150次循环后的容量保持高达1010mAh/g，即使在2.5mg/cm2的高S负载下，性能也非常稳定）。本研究通过设计缺乏孔道或所需化学成分的对照纳米材料，阐明了这两个因素协同作用的重要性。本工作采用简单的单针微乳液静电纺丝方法成功制备了具有隧道孔的氧化物纳米纤维并对其进行了探索，这将为类似的纳米材料工程与其他化学材料以提高LSB性能铺平道路。

图1.（a）用于储能的不同类型1D NFs，以及（b）具有和不具有多个互连窄隧道的1D NFs的示意图。（c）通过微乳液电纺丝合成具有隧道孔的多孔氧化钛基纳米纤维的示意图。（d-i）当PO和TBO的比例分别为1:3、1:2和1:1.5时所合成TiO2 NFs的SEM图像。

图2.（a）在不同条件下退火后获得的TiO2、TiO2/C和TiO2-x/C NFs的XRD图谱；（b）相应的芯能级Ti2p高分辨率XPS光谱。

图3.（a-c）TiO2、（d-f）TiO2/C和（g-i）TiO2-x/C NFs的SEM图像（插图显示高分辨率图像）（左列）、TEM图像（中列）、氮气吸附分析（STP，77K）和孔径分布（右列）。

图4.（a）TiO2/C@S正极在Ar气氛中以及TiO2/C宿主NFs在空气气氛中的TGA曲线。（b-d）TiO2@S、TiO2/C@S和TiO2-x/C@S NFs的SEM图像（横截面）和相应的元素图。

图5.（a）复合TiO2@S、TiO2/C@S和TiO2-x/C@S正极老化12小时后的CV图和（b）EIS图；（c）基于EIS图得出Z′与ω-1/2的关系图；（d-f）TiO2@S、TiO2/C@S和TiO2-x/C@S正极的电解液接触角。

图6.（a）在0.1C至3C（1C=1675mA/g）的不同电流密度下电池的倍率性能。电池在（b）0.1C和（c）3C下的放电和充电曲线。电池在（d）0.2C和（e）0.5C下的长期循环性能，S负载为1.5mg/cm2。

图7.（a）吸附试验照片。（从左至右）Li2S6溶液、Li2S6溶液+TiO2、Li2S6溶液+TiO2/C、Li2S6溶液+TiO2-x/C以及在室温下静置0.5小时后的相应溶液。（b）吸附试验后上清液溶液的UV-vis吸收光谱。XPS光谱显示循环正极的（c）Ti2p和（d）S2p扫描。