进展 | 碘蒸气辅助合成Chevrel相纳米片Mo6S8及其在镁/铝电池中的应用

Chevrel相化合物是一种钼基硫族化合物，是由Mo₆T₈或M_xMo₆T₈组成（M为过渡金属，T为S，Se或Te）。Chevrel相结构中，六个Mo原子位于一个立方体的六个面心，形成一个八面体的Mo₆原子簇，八个T原子占据立方体的八个角上，在这些紧密堆积的原子簇之间有较大的三维开放式孔道。由于这种独特的结构，Chevrel相化合物被应用于超导，热电，催化和电池中。自2000年Chevrel相Mo₆S₈被首次应用于镁电池正极以来，它的应用范围已经被拓宽到几乎所有的二次电池体系。直至今天，Chevrel相Mo₆S₈仍然是最成功的镁电池正极材料。但是大规模，高质量地合成Chevrel相的Mo₆S₈纳米材料仍然面临很大挑战。现行的方法包括固相法，熔盐法，自传输高温法，高能球磨法，以及两步溶液法合成都具有能耗大，产物不纯，并且无法控制颗粒生长等问题。目前最常用的固相法，以CuS和MoS₂作为硫源，将反应物密封到充满氩气的接头式不锈钢管中，在900摄氏度下反应24小时。但是该方法只能合成微米尺寸的Mo₆S₈，且由于CuS在高温下会分解产生硫蒸汽并逸出，导致杂质MoS₂的生成。

鉴于此，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源实验室E01组毛明磊博士、林泽京博士生，在索鎏敏副研究员的指导下，利用碘的气相传质反应合成了大规模、高纯度的Mo₆S₈纳米片。利用Cu，Mo，以及MoS₂作为反应物，避免了反应物的分解，以及硫蒸汽的逸出。碘用来调节固相反应的动力学，降低了反应温度和时间，并且引发Mo₆S₈进行择优平面生长形成纳米片。作为一种典型的三维材料，纳米片状的Mo₆S₈被第一次获得。在镁电池和铝电池中，该Mo₆S₈纳米片比用传统方法合成的微米颗粒，具有更快的离子嵌入动力学和更好的电化学性能。该研究结果近日发表在《ACS Nano》上（ACS Nano，2019，DOI: 10.1021/acsnano.9b08848），文章题为Iodine Vapor Transport-Triggered Preferential Growth of Chevrel Mo₆S₈Nanosheets for Advanced Multivalent Batteries。

文章链接:
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.9b08848

相关工作得到了国家重点研发计划（2018YFB0104400）、国家自然科学基金（51872322; 21905299）、中国博士后科学基金（2019TQ0346）、以及壳牌公司（PT76419）的支持。

图1. 碘气相传质反应合成Mo₆S₈纳米片的示意图。

图2. 利用XRD探究合成Cu₂Mo₆S₈的最优条件以及反应路径。

图3. Mo₆S₈纳米片的表征

图4. Mo₆S₈纳米片在镁电池和铝电池中的电化学性能