近日，北京理工大学机电学院张建国教授团队在国际顶级期刊《Nano-Micro Letters》(影响因子36.300)发表题为《Pisiform Homojunction with Energy Band Bending Induced via Co-Implantation Design Enabling Fast-Charging Sodium-Sulfur Battery》的研究性文章(DOI: 10.1007/S40820-026-02163-2)。文章提出了一种新颖的“诱导同质结”概念，通过铁掺杂和钼空位的协同设计构建了三明治型的p-n碳化钼同质结，相邻碳化钼结构的p和n型导电特性促使电子/空穴快速穿过界面，从而赋予反应位点高活性，促进多硫化物的捕获及原始的S-S键的断裂；伴随着能带弯曲过程，自发地建立双向的内在电场进而驱动离子/电子的高速运输，最终实现高深度的充放电过程和快速的转化反应动力学过程，表现极好的快充性能。通讯作者为张建国教授、于琪瑶副教授，第一作者为北京理工大学机电学院2022级博士生高艳君。
可靠的能源对现代社会的发展至关重要。高能电子设备的需求呈指数型增长，大大地推动了先进的可充电电池的开发。与地质稀缺的锂资源相比，钠的天然丰富性确保了其可持续的供应，室温钠硫电池(RT Na-S)通过使用价格低廉且环保的硫作为活性材料，进一步降低了电极材料的成本并克服了关键材料稀缺的瓶颈；此外，其理论比容量高达1675 mAh g-1，具有超高的比能量密度(1274 Wh kg-1)且无毒。然而，硫正极存在电子导电性差的缺陷，在循环过程中表现巨大的体积变化；多硫化(NaPSs)在电解质中的溶解和严重的穿梭效应导致活性物质向负极扩散；其缓慢的转化反应动力学导致硫的利用率低下和差的循环稳定性。
为此，本工作进行了硫正极的设计，提出了一种新颖的“铁掺杂和Mo空位协同植入诱导同质结”的概念，构建了三明治型的p-n碳化钼同质结，并将其分布在氮掺杂碳纳米球上，作为Na-S电池的高效硫载体。在同一种材料(碳化钼)中，相邻晶体结构导电特征的差异(p和n型)促使电子/空穴自发地运输穿过界面，从而赋予反应位点高活性，增强了对多硫化物的固定能力，显著抑制穿梭效应的同时促进S-S键的断裂，另外，电荷的积累导致了内在电场的构建，进而驱动离子/电子的高速迁移，加速了转化反应动力学并表现极好的快充性能，为提高硫宿主的催化活性提供了新的见解。
要点一：提出“诱导同质结”的概念，深入探究“同质结”的形成机制
通过铁掺杂和钼空位的协同引入诱导了三明治型的p-n碳化钼同质结的形成，明确了同质结的构建和铁掺杂/钼空位策略的因果关系。其中掺杂位点和阳离子空位各自的调控导致相邻碳化钼晶体结构的能带结构发生异质性的变化，分别呈现n型和p型特性。在同一种Mo2C材料中，这种不对称的能带结构促使电子/空穴定向地迁移，直至费米能级持平而终止，伴随着能带弯曲的过程，最终诱导了高活性同质结界面的形成。本文结合电化学测试和物化表征，确定了导带/价带及费米能级的位置，为“同质结”的形成机理提供了深入的见解。
要点二：灵活调控铁掺杂和Mo空位的相对比例，最大化同质结的作用
采用了一种简单的酸刻蚀工艺来改变掺杂金属量和钼空位的密度，随着刻蚀程度的加大，两者呈现反向的变化，进而优化其相对比例，扩大同质结界面的丰度和作用范围，最大程度地发挥同质结的效应，促进表面电荷的再分布和快速的电子/离子运输。
要点三：关联同质结和钠硫电池的储能过程，阐述其电化学性能的改善机理
高活性p-n同质结的形成有利于载流子在界面处的快速传输，赋予反应位点高活性并促使对多硫化物的有效结合和原始S-S键的断裂，被认为是抑制穿梭效应和触发转化反应的关键步骤。同时，在能带对齐的过程中，由于电荷的积累导致较大范围的内在电场的形成，作为额外的驱动力加速离子和电子的传输，确保它们能够及时地到达上述高活性位点并进行充分的反应，从而实现超快的转化动力学过程。本工作提出的“诱导同质结”概念和相应机理的阐述对高效电催化剂的设计具有重要的指导意义，极大地助力了钠硫电池的高速发展。
文章链接
Pisiform Homojunction with Energy Band Bending Induced via Co-Implantation Design Enabling Fast-Charging Sodium-Sulfur Battery
