广工大张山青/黄森传等：氮桥联MoS₂/C异质结构助力高稳定性锂离子电池

Surfactant-Derived Nitrogen-Bridged MoS₂/C Heterostructures for Robust Lithium-Ion Storage

Senchuan Huang, Kewei Pei, Yunyi Chen, Yangfei Cao, Jingwen Shangguan, Shiman He, Junxia Meng & Shanqing Zhang

Nano-Micro Letters (2027)19: 38

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02324-3

本文亮点

1. 界面化学桥接构筑：利用季铵盐表面活性剂诱导MoS₂与碳层之间原位生成Mo–N界面化学键，把“弱范德华接触”升级为“化学键合”，打造出高导电、高稳定的MoS₂/C异质界面。

2. 层间结构调控与电子耦合协同：扩大的MoS₂层间距与增强的界面电子耦合作用协同促进Li⁺快速迁移和电子高效传输，显著提升电极反应动力学。

3. 优异的循环稳定性与超高功率密度：在锂离子电池中以0.5 A g⁻¹电流密度循环800圈后容量保持率约100%；在锂离子超级电容器中可实现3500 W kg⁻¹的超高功率密度，并稳定循环超过10000次。

研究背景

层状过渡金属二硫属化物(LTMD)中，二硫化钼(MoS₂)凭借其高理论容量(~670 mAh g⁻¹)和独特的插层/转化反应机制，一直是锂离子电池负极的“明星候选人”。然而MoS₂在实际应用中仍面临两大核心瓶颈：反复嵌锂过程中层状结构易发生不可逆退化，且其本征半导体特性导致电子导电性较差，严重限制了倍率性能和长循环寿命。高电流密度下活性位点的团聚以及充放电过程中的体积膨胀进一步加剧了容量衰减。围绕MoS₂的性能优化，研究者们已发展了多种策略，包括纳米结构工程、层间距调控、杂原子掺杂以及与导电碳材料复合等。常规的物理混合或表面包覆虽然能在一定程度上改善导电性，但碳层与MoS₂之间为弱范德华接触，长期循环中容易“分道扬镳”，尤其在高载量、高功率工况下，界面剥离愈发严重。因此，如何同时实现层间距的扩大与界面化学键合，协同提升离子传输动力学与电子导电能力，是MoS₂基负极走向实用化的核心科学挑战。

内容简介

针对MoS₂负极结构稳定性差、电子导电性低和离子传输慢等相互制约的难题，广东工业大学张山青&黄森传团队跳出传统物理混合或表面包覆的“弱界面接触”思维定式，通过在介孔模板反应器中引入季铵盐表面活性剂，在MoS₂与碳层之间原位构筑Mo–N共价化学键，实现了从“物理接触”到“化学键合”的界面升级。季铵盐表面活性剂分子在热解过程中原位生成氮掺杂碳层，并通过界面Mo–N化学键与MoS₂实现共价耦合，可谓一举两得：在结构稳定性方面，Mo–N桥接有效锚定MoS₂层状结构，抑制其在反复充放电过程中的结构退化；在离子/电子传输方面，扩大的MoS₂层间距为Li⁺的快速扩散开辟了畅通路径，而氮掺杂碳层与界面电子耦合则显著提升了整体电子导电性。该策略无需复杂多步合成，仅通过表面活性剂选择与热处理温度调控，便同步实现了层间距扩大、界面化学键合与电子导电性提升三重优化，为开发高稳定、高倍率的LTMD/C异质结构电极提供了新思路。

图文导读

I 表面活性剂介导Mo–N桥接异质结构构筑

如图1所示，季铵盐表面活性剂(CTAB)在该策略中扮演了“分子桥梁”的关键角色。首先将CTAB限域于树枝状介孔SiO₂模板反应器(mSiO₂)的孔道之中，随后引入钼酸根阴离子，使其与CTAB带正电的季铵头基发生静电配位。在随后的硫脲辅助热处理过程中，MoOₓ前驱体转化为MoS₂，CTAB分子则碳化形成氮掺杂碳层。与此同时，钼物种与含氮碳物种之间原位形成界面Mo–N化学键，实现了MoS₂与碳骨架之间的共价桥接。值得注意的是，mSiO₂模板主要扮演纳米限域反应器的角色，而非简单的形貌复制模板。CTAB分解产生的气态产物在逸出过程中同步重构了碳骨架，在复合材料中引入了丰富的介孔结构。

热重分析表明，mSiO₂的限域作用有效提升了CTAB的热稳定性，促进其向碳组分转化。形貌表征显示，MoS₂-N-C₇₀₀具有纳米颗粒组装形成的多孔结构，TEM和EDS证实Mo、S、C、N元素均匀分布。HRTEM进一步观察到少层MoS₂与碳层紧密结合，其层间距扩大至0.633 nm，高于商业MoS₂的0.622 nm。这种“化学键合+层间扩展+多孔结构”的协同设计，为MoS₂-N-C₇₀₀优异的储锂性能提供了结构基础。

图1. 材料合成与微观结构表征。

II 组成与化学态分析揭示Mo–N化学键

XRD与Raman分析表明，随着硫化温度从600°C升至800°C，MoS₂-N-C结晶度逐渐提高，同时碳基体石墨化程度增强。TGA定量显示MoS₂-N-C₆₀₀、MoS₂-N-C₇₀₀和MoS₂-N-C₈₀₀中MoS₂含量分别为66.8%、74.1%和81.8%。BET测试表明所有样品均呈现介孔结构(IV型等温线)，其中MoS₂-N-C₇₀₀比表面积最高(112.9 m² g⁻¹)，最可几孔径约2.0 nm，最有利于Li⁺扩散与电解液浸润。

XPS分析揭示了异质结构的表面化学态。最为关键的是，N 1s谱在397.6 eV处出现明显的Mo–N特征峰，且Mo K边EXAFS进一步确认了Mo–N配位；而无CTAB模板的对比样品中未检测到Mo–N键，证实其源于CTAB衍生的氮掺杂碳骨架。这些结果共同提供了Mo–N共价化学键存在的直接证据，正是本研究区别于传统物理复合的核心所在。

图2. 物相组成与化学态分析。

III 界面Mo–N桥联助力MoS₂负极长寿命储存锂离子

MoS₂-N-C₇₀₀在0.5 A g⁻¹下表现出优异的长循环稳定性，而商业MoS₂和物理混合MoS₂/NC在循环中容量迅速衰减，表明Mo–N化学桥联对提升结构稳定性和储锂可逆性具有关键作用。MoS₂-N-C₇₀₀表现出优异倍率性能，并可在恢复低电流密度后快速回升放电容量，与已报道的多种MoS₂基负极材料相比具备竞争力。

图3. 锂离子电池性能。

IV N桥联界面稳住MoS₂-N-C负极形貌与结构

循环过程中的FESEM图像显示MoS₂-N-C₇₀₀电极在200次循环后多孔骨架结构基本保持完整，表面趋于均匀；而商业MoS₂电极在首次循环后即发生严重结构退化，层状薄片堆叠扭曲，5次循环后已塌缩为团聚细粒。HRTEM进一步证实MoS₂-N-C₇₀₀电极在5次循环后表面仅形成数纳米厚的均匀SEI层，清晰可见MoS₂(100)和Li₂S(200)的晶格条纹，表明可逆转化与插层过程共存。EIS谱显示MoS₂-N-C₇₀₀电极在长期循环过程中保持较低电荷转移阻抗，证实Mo–N桥联异质结构有效维持了稳定的界面电荷传输动力学。原位XRD进一步揭示了MoS₂-N-C₇₀₀在首圈充放电过程中的物相演变。放电时(002)峰逐渐向低角度偏移，表明Li⁺嵌入层间并伴随层间距扩大；充电时该峰逐步回归原位，证实了高度可逆的插层行为。同时，(100)峰在放电过程中逐渐减弱并最终消失，对应于MoS₂向金属Mo和Li₂S的转化；充电时(002)峰重新出现，再次确认了转化反应优异的可逆性。

图4. 循环过程中的形貌与界面演化。

V 赝电容主导的快速储锂动力学

GITT结果表明，MoS₂-N-C₇₀₀具有更快的Li⁺扩散动力学，归因于其扩大的层间结构和连续的界面传输通道。CV分析显示，该电极具有明显的赝电容储能特征，较高的电容贡献率进一步证明了氮掺杂碳骨架、Mo–N界面耦合及多孔结构之间的协同作用。原位EIS与DRT分析进一步表明，MoS₂-N-C₇₀₀在充放电过程中保持稳定的界面反应动力学和快速电荷转移能力，证实了Mo–N桥联异质结构对提升离子扩散和电化学反应速率的关键作用。

图5. 电化学动力学分析。

VI 高功率锂离子超级电容器器件

作者进一步将MoS₂-N-C₇₀₀负极与活性炭正极组装成锂离子电容器(LISC)。该器件在宽电压窗口下表现出稳定的准矩形CV曲线和对称三角形GCD曲线，兼具法拉第反应与双电层电容特征。该LISC兼具较高的能量密度与功率输出，即使在高功率条件下仍保持优异储能性能。循环测试显示，MoS₂-N-C₇₀₀//AC在1 A g⁻¹下经过10000次循环后仍保持稳定容量保持率，展现出良好的循环耐久性和实际应用潜力。上述结果表明，MoS₂-N-C异质结构能够有效实现高能量、高功率与长寿命储能性能的协同优化，为先进锂离子储能器件提供了新的材料设计策略。

此外，本表面活性剂介导策略被成功拓展至WS₂体系。所得WS₂-N-C₇₀₀同样表现出多孔互连结构和优异的储锂性能，验证了该策略在构筑氮桥接LTMD/C异质结构中的普适性和推广潜力。

图6. 锂离子超级电容器性能。

VII 总结

本研究提出了一种简单高效的季铵盐表面活性剂介导界面工程策略，在MoS₂与碳材料之间原位构筑Mo–N化学桥，实现了异质结构从“物理接触”到“化学键合”的升级。通过强界面耦合作用、扩大的MoS₂层间距以及多孔碳骨架的协同调控，该结构不仅有效提升了电子/离子传输动力学，还增强了循环过程中的结构稳定性。所得的MoS₂-N-C₇₀₀电极在锂离子电池中展现出优异的长循环稳定性和倍率性能，并进一步赋予锂离子超级电容器高能量密度、高功率密度以及超长循环寿命。同时，该策略在WS₂体系中的成功验证表明，其并非局限于单一材料，而是一种可拓展的氮桥接过渡金属硫化物/碳异质结构构筑策略。因此，本工作通过分子尺度界面调控，解决了传统MoS₂基电极中结构稳定性与快速电荷传输难以兼顾的问题，为开发下一代高性能、长寿命电化学储能材料提供了新的设计思路。

作者简介

张山青

本文通讯作者

广东工业大学教授

▍主要研究领域

长期致力于纳米材料、催化剂、传感器与各种金属离子电池和全固态锂离子电池储能器件的研制和开发，设计可回收的电池结构，低能耗的低排放的锂电池回收技术，并做出了突出贡献。

▍主要研究成果

国家级高层次人才，博士生导师，广东工业大学学术委员会主任，轻工化工学院和先进制造学院特聘教授，可持续创新技术研究院院长和绿色电化学交叉创新研究院院长，2009年获澳大利亚研究基金会杰出青年科学家，2016年获澳大利亚格里菲斯大学终身教授，2020年被选为澳大利亚皇家化工学会会士(FRACI)和英国皇家化学学会会士(FRSC)，2023年获睿安全球高被引科学家、全球前2%顶尖科学家。其中，开发的原位智能水质监控系统已被大规模商用。在Chem. Rev., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.. Energy Environ. Sci., Adv. Mater.，Anal. Chem., Environ. Sci. Technol.等国际著名期刊发表论文约400余篇(33246余次引用，H-index 100)，获得多项授权国内/国际专利，澳大利亚联邦科研基金和工业界的基金资助，及中国国家教育部和科技部科研奖励及资助。

▍Email：s.zhang@griffith.edu.au