随着温室效应的不断加剧以及双碳目标的提出，新能源汽车及风电、光电产业大量普及，开发高能量密度、绿色环保、价格低廉的储能设备已成为当今研究的焦点^[1-2]。目前以磷酸铁锂、钴酸锂为正极，石墨为负极的锂离子电池应用广泛，但其能量密度 (约300 Wh·kg⁻¹)很难满足高能量储能设备的需求。锂硫电池 (Lithium-sulfur Batteries, LSBs)具有高的理论能量密度 (2600 Wh·kg⁻¹)、高理论比容量 (1675 mAh·g⁻¹)、低成本的正极活性物质S，被视为最有希望的高比能二次电池之一^[3-5]。然而锂硫电池仍面临着十分严峻的挑战，首先作为正极活性物质的S及其最终放电产物Li₂S的本征绝缘性阻碍了S的固液转化，导致活性物质利用率低。其次单质硫与产物Li₂S之间极大的密度差，在充放电过程中产生显著的体积膨胀，导致正极材料结构的破坏。同时放电过程缓慢的硫还原动力学会产生大量可溶性多硫化锂分子溶解在电解液中，在浓度梯度下穿过隔膜扩散至金属锂负极，导致活性物质的损失与电池容量的衰减，这些挑战制约着锂硫电池的发展^[6-8]。

面对锂硫电池所遇到的问题，研究人员在锂硫电池正极材料方面做了大量工作，早期的研究主要从结构设计方面在物理上对多硫化物进行限域^[9-10]，这种方法虽然限制了一部分可溶多硫化物的扩散，但仍有大量多硫化物透过物理屏障来到负极表面，后来研究者开始采取在表面加入电负性较强的原子对多硫化物进行化学吸附^[11]，此方法虽然有效地固定住了多硫化物，但硫缓慢的氧化还原动力学问题仍没有得到很好的解决。近年来，电催化的方法已逐渐成为解决锂硫电池所面临问题的一种有效手段，一方面电催化剂的表面存在着的催化位点可以有效地对多硫化物产生化学吸附，同时催化位点加速了多硫化物之间的液固与固固转化速率，从本源上解决了多硫化物的累积问题^[12-14]。

在众多催化材料中，过渡金属硫化物被大量研究者关注^[15-16]，这是因为过渡金属硫化物对多硫化物的吸附能较为适中，既能够对多硫化物有一定的吸附能力，又能够不破坏多硫化物分子的完整性，同时部分过渡金属硫化物有着良好的导电性及优异的多硫化物催化能力。其中，钒基纳米材料由于钒元素的丰富含量与价态，在催化领域中广泛应用^[17-18]。钒基硫化物中最具代表的是VS₂、VS₄和V₅S₈三种材料，在结构方面，VS₂材料的晶体结构呈层状结构，层间距为0.576 nm(5.76 Å)，由一个六角形密排的金属钒原子层夹在两个硫原子层之间组成；VS₄材料的晶体结构由V⁴⁺与S₂²⁻二聚体配位而成的准一维链状化合物，这些线性结构单元通过弱范德华相互作用堆叠在一起，链间距离为0.583 nm(5.83 Å)；V₅S₈材料的晶体结构是S原子与其周围环绕的3个V原子所组成的层状结构，但硫原子层与钒原子层之间会有V原子穿插。然而由于缺乏优异的电子导电性与团聚现象，单一的钒基硫化物催化性能与吸附能力受到限制，因此化学异质界面工程已成为锂硫电池研究中的一个新热点^[19-21]。

本文以3种不同的钒基硫化物催化剂材料VS₂、VS₄和V₅S₈与具有高导电性、高比表面积和表面有着丰富官能团的MXene (Ti₃C₂T_x)材料复合，形成3种异质结催化材料VS₂@MXene、VS₄@MXene、V₅S₈@MXene。并将其应用在锂硫电池正极催化材料上，对比它们在微观形貌以及锂硫电池电化学性能上的差异。

在少层MXene二维纳米片材料的合成中，首先配置好一定量的9 mol·L⁻¹的盐酸溶液，注入准备好的塑料瓶中，同时加入2 g的LiF，将塑料瓶置于水浴锅中恒温加热搅拌，随后分批缓慢地加入总量为2 g的MAX相前驱体 (碳化铝钛)，将水浴温度设为35 ℃，持续进行搅拌26 h。等待反应完成冷却后，将产物采用去离子水和无水乙醇进行离心清洗，直至上清液呈淡黑色为止，然后收集上清液冷冻干燥便可以得到少层MXene二维纳米片。

取所制备的少层MXene二维纳米片100 mg溶于30 mL去离子水中，以300 W功率超声2 h得到悬浮液，然后分别称取2 mmol偏钒酸铵和过量的硫代乙酰胺 (约1.5 g)加入烧杯中，同时滴加2 mL的氨水进行磁力搅拌，直至溶液搅拌均匀。最后将所有溶液注入50 mL的水热反应釜内胆中，在180 ℃的条件下加热20 h，水热反应结束后，将产物使用去离子水与无水乙醇离心清洗数次，冷冻干燥后便得到了VS₂@MXene异质结构材料。

取3个烧杯，其中2个烧杯加入25 mL乙二醇，另一个烧杯加入20 mL去离子水，在2个乙二醇烧杯中分别加入1.5 mmol的偏钒酸铵、7.5 mmol的硫代乙酰胺，在去离子水烧杯中加入100 mg MXene，将装有偏钒酸铵与乙二醇的烧杯进行搅拌与加热，加热温度在80 ℃左右，直至偏钒酸铵完全溶解，将装有MXene与去离子水的烧杯超声与搅拌，直至形成悬浮液，将装有硫代乙酰胺的烧杯磁力搅拌至溶解。然后将3个烧杯中的溶液混合后磁力搅拌20 min并超声30 min保证溶液混合均匀，最后将溶液整体装入100 mL的水热釜内胆中，在160 ℃条件下加热20 h，水热反应结束后，将产物使用去离子水与无水乙醇离心清洗数次，冷冻干燥后便得到了VS₄@MXene异质结构材料。

将所制备出的VS₄@MXene异质结构材料放入管式炉的石英管中，在惰性还原气体高纯氢/氩混合气氛条件下，400 ℃加热保温2 h，降温后取出得到的黑色粉末便是V₅S₈@MXene异质结催化材料。

将催化剂材料与升华硫以质量比1:3混合后均匀研磨，然后在氩气环境下升至155 ℃保温12 h，得到载硫后的催化剂材料。然后将载硫后的催化材料、导电炭黑和粘结剂PVDF按质量比7:2:1混合均匀后研磨30 min，随后加入适量的N-甲基吡咯烷酮 (NMP)继续研磨20 min使浆料混合均匀，最后将浆料用刮刀涂敷在铝箔上，放入50 ℃的真空干燥箱放置12 h，将干燥完成的极片裁成直径为12 mm的圆片便得到了S/催化剂正极极片，其中极片的载硫质量为正极极片质量的52.5%。

将Li₂S与升华S按物质的量比1:5溶于二氧戊环(DOL) 和乙二醇二甲醚 (DME) (体积比为 1:1) 的混合溶液中，随后在充满氩气的手套箱中70 ℃加热搅拌，充分反应后得到0.1 mol·L⁻¹ 的Li₂S₆溶液^[22]。准备一定数量的透明玻璃瓶 (容积为5 mL)，在每个玻璃瓶中加入2 mL Li₂S₆溶液。然后称取相同质量的未载硫催化剂材料分别加入玻璃瓶中，通过肉眼观察Li₂S₆溶液的褪色速度比较催化剂材料对多硫化物的吸附能力。

材料晶体结构采用X射线衍射仪 (XRD，Bruker，Rigaku Dmaxrc)进行表征，扫描范围3°~80°，扫速10 °/min 。材料的形貌及微观结构采用场发射扫描电子显微镜 (SEM，日立，JEM-6700F)进行表征。比表面积和孔结构采用氮气吸脱附仪进行表征 (BET，麦克默瑞提克，ASAP 2460)。

锂硫电池是由正极极片、聚丙烯隔膜 (Celgard 2400, PP)、锂片负极组装而成的标准CR2025 纽扣电池，将1.0 mol·L⁻¹ 双三氟甲烷磺酰亚胺锂 (LiTFSI) 溶解在 DOL 和DME (体积比为 1:1) 的混合溶液中，作为锂硫电池的电解液，同时以摩尔分数为2%的硝酸锂 (LiNO₃) 为添加剂。

采用CHI660电化学工作站对循环伏安 (Cyclic Voltammetry, CV) 曲线、电化学阻抗 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) 及电化学活性面积(Electrochemcial Active Surface area，ECSA)进行测试，CV测试的电压变化范围为1.7~2.8 V，扫描速率为0.5 mV·s⁻¹。EIS 的测试频率范围为100 kHz到 0.01 Hz；ECSA采用CV 测试法在非法拉区间(1.73~1.85 V)下进行各种扫描速率(10~100 mV·s⁻¹)的测试，随后对电流密度差(Δ_J=(J_阳极−J_阴极)/2)与扫描速率进行线性拟合，其中拟合的斜率表示双电层电容(C_dl)，其与电极材料的 ECSA 成正比。第一性原理密度泛函计算由重头算软件包Castep所完成，其中离子与电子间的交互作用采用投影缀加平面波方法 (Projector-augmented Wave, PAW)来描述，采用广义梯度近似 (Generalized Gradient Approximation, GGA)中的PBE来描述交换关联能，同时采用DFT-D3方法来考虑原子之间的范德华力作用。多硫化物的吸附能根据以下公式计算。

式中：${E_{{\rm{total}}}}$为多硫化物吸附后体系的总能量，${E_{{\rm{surface}}}}$为吸附材料表面的能量，${E_{{\rm{L}}{{\rm{i}}_2}{{\rm{S}}_x}}} $为多硫化物分子的能量。

图1为MXene纳米片、VS₂@MXene、VS₄@MXene 和V₅S₈@MXene异质结材料的合成示意图，其中VS₂@MXene、VS₄@MXene采用水热法制备，V₅S₈@MXene采用水热后加管式炉烧结的方法制备。

图 1(Figure 1)

图 1 MXene纳米片、VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结的合成示意图 Figure 1 Schematic illustration of the synthesis processes of MXene nanosheets，VS2@MXene, VS4@MXene, V5S8@MXene

通过XRD对所制备的材料的晶体结构进行表征, 如图2所示，从XRD谱图中可以看出，VS₂@MXene、VS₄@MXene 和V₅S₈@MXene的特征衍射峰分别与VS₂的标准卡片PDF#36-1139、VS₄的标准卡片PDF#87-0603、V₅S₈的标准卡片PDF#81-1595相对应，同时在2θ=7°的位置均出现了较强的MXene (002)晶面的特征峰，表明了VS₂@MXene、VS₄@MXene 和V₅S₈@MXene异质结催化材料的成功合成。

图 2(Figure 2)

图 2 VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结催化材料的XRD谱图 Figure 2 X-ray diffraction patterns of MXene, VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene heterostructure materials

图3是所制备出的VS₂@MXene、VS₄@MXene 和V₅S₈@MXene异质结构材料的扫描电镜SEM图片与能谱元素分布图EDS，从图中可以看出VS₂、VS₄ 和V₅S₈原位地生长在片状的Mxene上面，其中VS₂呈薄纳米片状均匀地生长在MXene纳米片表面，没有发生明显聚集现象，而VS₄呈纳米花状长在MXene纳米片上，并有部分堆叠聚集现象，且纳米花分布不均匀，V₅S₈则呈重叠卷曲片聚集在MXene纳米片上，同样有部分聚集现象，但相比于单独生长的钒基硫化物，它们的团聚现象已经明显降低，因此硫化物生长在MXene上可以有效防止MXene纳米片的堆叠，并在表面增加VS₂、VS₄ 、V₅S₈催化活性位点，其中自身具有层状结构的VS₂能均匀地分布在MXene纳米片上，由此会暴露出更大的比表面积和催化活性位点，有利于硫氧化还原反应的进行。此外，从EDS图中可以看出C、Ti、S、V元素的分布，证明了VS₂、VS₄ 和V₅S₈原位生长在二维Mxene纳米片上。

图 3(Figure 3)

图 3 VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结催化材料的SEM图像以及EDS元素分布Mapping图 Figure 3 SEM images and mapping of EDS element distributions of MXene, VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene heterostructure materials

为了进一步表明扫描电镜的结果及探索3种材料的微观结构，采用BET比表面积测试法对3种复合材料的比表面积及孔径分布进行了测试，如表1与图4所示，可以看出，VS₂@MXene材料的比表面积是最大的，为26.08 m²·g⁻¹，其次是V₅S₈@MXene材料，比表面积为25.21 m²·g⁻¹，比表面积最小的是VS₄@MXene异质结催化材料，比表面积为20.48 m²·g⁻¹，这与前面扫描电镜的分析一致。从BJH法计算的孔径分布曲线中可以看出3种材料的孔洞结构均为微孔和介孔，其中VS₄@MXene拥有最大的平均孔径17.66 nm，V₅S₈@MXene的平均孔径最小，为12.91 nm，VS₂@MXene材料的孔径值处于中间，为16.36 nm，因此，可以看出，在3种材料中，VS₂@MXene材料的比表面积最大，且有着适中的孔径大小，有利于电解液的浸润以及对活性物质硫的容纳^[23]。

表 1(Table 1)

表 1 VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结催化材料的比表面积和平均孔径值 Table 1 Specific surface area and average pore size values of VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene VS2@MXene VS4@MXene V5S8@MXene 比表面积 / (m2·g−1) 26.08 20.48 25.21 平均孔径 /nm 16.36 17.66 12.91

表 1 VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结催化材料的比表面积和平均孔径值 Table 1 Specific surface area and average pore size values of VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene

图 4(Figure 4)

图 4 VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结催化材料的氮气吸脱附曲线和孔径分布曲线 Figure 4 Nitrogen adsorption and desorption curves and pore size distribution curves of MXene, VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene heterostructure materials

锂硫电池充放电过程中可溶性多硫化锂的穿梭效应严重影响着电池的容量与循环性能，因此催化剂材料对可溶多硫化物的吸附能力十分重要，因此测试了VS₂@MXene、VS₄@MXene和V₅S₈@MXene异质结对可溶多硫化物的吸附能力，在配置好的 Li₂S₆ 溶液中分别加入相同质量的VS₂@MXene、VS₄@MXene和V₅S₈@MXene材料。结果如图5 所示，可以看出，经过8 h的静态吸附后，与原始Li₂S₆ 溶液相比，添加3种催化剂材料的溶液均出现颜色变浅，其中添加了VS₂@MXene催化剂的溶液完全褪色，表明VS₂@MXene催化剂对Li₂S₆ 有着最强的吸附能力。

图 5(Figure 5)

图 5 VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结催化材料对Li2S6溶液的宏观可视化吸附实验 Figure 5 Visualized adsorption test of Li2S6 solution of MXene, VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene heterostructure materials

同时对VS₂@MXene、VS₄@MXene和V₅S₈@MXene 3种异质结构材料对多硫化物的催化转化能力及电化学动力学性能进行了测试。在扫速为3 mV·s⁻¹及电压窗口为−1~1 V的条件下对3种材料组装成的对称电池的循环伏安曲线 (CV，参比电极：Li/Li⁺)进行了测试，如图6所示，可以看出VS₂@MXene材料具有最高的氧化峰与还原峰电流，表明与VS₄@MXene和V₅S₈@MXene材料相比，VS₂@MXene材料具有更加优异的多硫化物的催化转化能力与电化学可逆性。

图 6(Figure 6)

图 6 异质结催化材料的对称电池CV曲线图 Figure 6 The symmetric cells CV curves of heterostructure materials

为了进一步研究3种催化剂的催化活性，探究催化剂在催化反应中的实际表面积，利用双电层电容C_dl研究了材料的电化学活性面积ECSA^[24-25]。在0.2 M的Li₂S₆溶液中，在非法拉区间(1.73~1.85 V)对VS₂@MXene、VS₄@MXene和V₅S₈@MXene3种材料分别进行了CV曲线测试，扫描速率为10~100 mV·s⁻¹，如图7(a)~(c)所示。通过对CV曲线进行处理，得到了电流密度差 (∆j)和扫描速率的线性拟合图，如图7(d)所示，图中显示了电流随扫描速率的变化情况，曲线的斜率代表电极的双层电容 (C_dl)，其值与电极电化学活性面积的ECSA呈正比，可以看出，VS₂@MXene的C_dl值为3.86 mF·cm⁻²，高于VS₄@MXene的C_dl值2.76 mF·cm⁻²和V₅S₈@MXene的C_dl值2.93 mF·cm⁻²，表明VS₂@MXene材料在电化学反应中与电解液有着更大的接触面积，同时暴露出更多的活性位点，有利于硫氧化还原反应的进行。

图 7(Figure 7)

图 7 VS4@MXene 、V5S8@MXene和VS2@MXene异质结催化材料在10~100 mV·s−1扫描速率下非法拉第区间中的CV曲线及在1.76 V 处，电流密度差 (∆j)与电极扫描速率的拟合曲线 Figure 7 CV curves of VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene heterojunction catalysts in the range of non-Faraday at the scanning rate of 10~100 mV·s−1 and fitting curve of current density difference (∆j) and electrode scanning rate at 1.76 V

同时对Li₂S 的成核与溶解过程进行测试来表征3种催化剂材料在电池反应中对多硫化锂 LiPSs 的液固与固液转化能力的大小，采用2.05 V 恒电位放电的方法进行了沉积动力学实验以及采用2.35 V 恒电位充电的方法进行了 Li₂S 的溶解动力学实验^[26]，如图8所示，通过对沉积溶解曲线进行拟合可以得出Li₂S的沉积溶解量，在沉积曲线中，Li₂S在VS₂@MXene、VS₄@MXene 和V₅S₈@MXene 3种材料上的沉积量分别为141.81、47.15、95.89 mAh·g⁻¹，表明VS₂@MXene材料对LiPSs的转化能力更强，可以使LiPSs更完全地转化为Li₂S，但相比于达到峰值电流的时间，VS₂@MXene材料会相对慢一些。在溶解曲线中，Li₂S在VS₂@MXene、VS₄@MXene 和V₅S₈@MXene 3种材料上的溶解量分别为513.5、477.84、504.59 mAh·g⁻¹，同时，Li₂S 在VS₂@MXene表面上的溶解时间最短 (1415 s)，表明VS₂@MXene有着更强的Li₂S溶解能力。综上表明，VS₂@MXene材料具有优异的双向Li₂S成核溶解能力，这得益于VS₂@MXene材料更大的表面积与电化学活性面积，拥有更多的催化活性位点，极大地促进了硫双向转化的氧化还原动力学。

图 8(Figure 8)

图 8 VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结催化材料的沉积溶解测试 Figure 8 Deposition and dissolution tests of VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene heterojunction catalyst materials

将载有S/催化剂的正极极片组装成扣式电池，在电压窗口为1.7~2.8 V条件下测试了S/VS₂@MXene、S/VS₄@MXene和S/V₅S₈@MXene正极在扫速为0.5 mV·s⁻¹下的CV曲线，如图9(a) 所示，图中3种正极材料分别在2.23 V (对应于硫到长链多硫化物S₈→Li₂S₄)、1.96 V (长链多硫化物到短链多硫化物Li₂S₄→Li₂S₂/Li₂S)和2.52 V (短链多硫化物到硫Li₂S₂/Li₂S→Li₂S₈)处出现明显的还原峰与氧化峰。同时与S/VS₄@MXene和S/V₅S₈@MXene材料相比，S/VS₂@MXene材料的峰值电流密度更大且氧化还原峰电位偏移更小，表明S/VS₂@MXene材料对硫的氧化还原反应具有更明显的催化作用。图9(b) 为3种正极材料组装成的电池的电化学阻抗谱图 (EIS)，可以看出，S/VS₂@MXene材料具有更小的高频区界面电荷转移电阻，图9(c) 进一步研究了3种扣式电池在不同电流密度下的倍率性能，其中S/VS₂@MXene正极材料组装而成的扣式电池具有最高的比容量以及优异的可逆性。在 0.1 C、0.2 C、0.5 C、1 C、2 C电流密度下, S/VS₂@MXene正极材料表现出了1 306.8、1 061.7、952、816.7、676.8 mAh·g^–1的放电比容量，均高于同条件下的 S/VS₄@MXene和S/V₅S₈@MXene正极材料，同时在电流密度恢复到0.1 C时，S/VS₂@MXene正极材料的放电比容量仍能恢复到1311.4 mAh·g⁻¹，表明S/VS₂@MXene正极材料具有出色的倍率性能。图9(d) 为S/VS₂@MXene、S/VS₄@MXene和S/V₅S₈@MXene 3种扣式电池在0.2 C下的充放电曲线，可以看出3种材料均具有明显的充放电平台，同时相对于S/VS₄@MXene扣式电池(706.1 mAh·g^–1)以及S/V₅S₈@MXene扣式电池(813.9 mAh·g^–1)，S/VS₂@MXene扣式电池具有明显的高可逆容量(1 017.6 mAh·g^–1)。同时对电池的循环稳定性进行了测试，3种电池在1 C电流密度下的恒流充放电测试曲线如图9(e) 所示，可以看出，S/VS₂@MXene扣式电池表现出了815.4 mAh·g^–1的初始放电比容量，高于S/VS₄@MXene电池(465 mAh·g^–1)以及S/V₅S₈@MXene电池(600 mAh·g^–1) ，且在400次循环后S/VS₂@MXene电池仍能保持645.4 mAh·g^–1的放电比容量(容量保持率79.2%)，结果表明，具有高比表面积与电化学活性面积的VS₂@MXene材料可以有效地束缚LiPSs，抑制LiPSs的穿梭效应，从而提高锂硫电池中的硫利用率与整体电池性能。

图 9(Figure 9)

图 9 VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结催化材料的电化学与电池性能 Figure 9 Electrochemistry and battery performance of VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene heterojunction catalyst materials

利用密度泛函理论进一步对3种材料的催化转化机制进行了研究，图10为单独VS₂、VS₄ 和V₅S₈晶体的能带与态密度图，从中可以看出VS₂和V₅S₈没有禁带宽度，而VS₄存在禁带宽度，表明VS₂和V₅S₈具有金属性，VS₄具有半导体的性质，因此VS₂和V₅S₈具有优异的导电性，同时从态密度图中可以看出，VS₂晶体靠近费米能级附近的电子态密度更高一些，具有更加优异的电子导电性。此外，当3种催化剂材料与高导电性的MXene材料复合后，3种异质结构材料的电子导电性会进一步提高，更有助于硫氧化还原反应的进行。

图 10(Figure 10)

图 10 VS2、VS4 和V5S8晶体的能带结构与态密度 Figure 10 Band structure and density of state of VS2, VS4 and V5S8 crystal

同时构建了VS₂@MXene、VS₄@MXene和V₅S₈@MXene 3种材料的表面模型，分别计算它们对多硫化物Li₂S₈、Li₂S₄和Li₂S分子的吸附能力，如图11所示。从图中可以看出VS₂@MXene对Li₂S₈ (−2.99 eV)、Li₂S₄ (−1.57 eV)和Li₂S(−4.45 eV)分子的吸附能更负，对多硫化物有着更强的吸附能力，可以有效缓解多硫化物的穿梭效应。图12为VS₂@MXene、VS₄@MXene和V₅S₈@MXene 3种材料吸附Li₂S₈和Li₂S₄分子的模型图和电荷差分密度图，可以看出多硫化物中的锂原子主要和VS₂@MXene、VS₄@MXene及V₅S₈@MXene表面的硫原子成键，对多硫化物产生化学吸附，抑制多硫化物穿梭效应，同时也可以从电荷差分密度中得到验证，电荷密度增加的区域主要集中在多硫化物中锂原子和3种钒基硫化物表面的硫原子之间，VS₂@MXene与多硫化物之间的电荷密度增加更多，电荷密度减小区域也更大，表明VS₂@MXene之间有着更强的电荷转移，成键强度更强，能更加有效地吸附多硫化物。VS₂@MXene材料能对多硫化物产生更强的吸附，缓解多硫化物的穿梭效应，更好地提高锂硫电池的硫利用率与电池的整体循环性能。

图 11(Figure 11)

图 11 VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结催化材料对Li2S8和Li2S4，Li2S分子的吸附能 Figure 11 VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene heterojunction catalytic materials’ adsorption energy of Li2S8 and Li2S4, Li2S molecules

图 12(Figure 12)

图 12 VS2@MXene、VS4@MXene 和V5S8@MXene异质结催化材料吸附Li2S8和Li2S4分子的结构图与电荷差分密度 Figure 12 Structure and charge density difference of VS2@MXene, VS4@MXene and V5S8@MXene heterojunction catalytic materials adsorbing Li2S8 and Li2S4 molecules

本文采用一步水热法及烧结方法合成了VS₂@MXene、VS₄@MXene 和V₅S₈@MXene 3种钒基硫化物异质结构催化材料，对比了3种材料的形貌结构与催化性能，并将其应用在锂硫电池之中，结果表明相比于另外两种钒基硫化物VS₄ 和V₅S₈，自身具有二维层状特征的VS₂在与MXene复合后具有更大的比表面积与催化活性位点，能与电解液充分接触，更有效地捕获与催化转化多硫化物，同时具有更强的多硫化物吸附能力与电子导电性，能有效地缓解多硫化物的穿梭效应，提高硫的利用率，从而提高锂硫电池的整体性能。以S/VS₂@MXene为正极的锂硫扣式电池在 1 C 电流密度下表现出了815.4 mAh·g^–1的初始放电比容量，并在400次的充放电循环后仍能保持645.4 mAh·g^–1的放电比容量(容量保持率79.2%)。本文为锂硫电池中钒基硫化物正极催化材料的选择提供了一定的思路。