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新余学院/南京工业大学《JAC》: 异质结工程化的Co、Fe共掺杂Ni₂P@Ti₃C₂Tₓ三维网络结构,用于增强锂存储

2026-05-29 14:44:50

1成果简介

锂离子电池（LIBs）广泛用于便携电子设备和电动汽车，但商用石墨负极容量（372 mAh/g）有限。过渡金属磷化物（TMPs）如Ni₂P、CoP、FeP因高导电性和高离子电导率而备受关注，但仍面临体积膨胀和本征导电性不足等问题。基于此，南京工业大学杨建教授团队与新余学院江尉通过磷化NiFeCo-LDH@Ti₃C₂Tₓ前驱体，原位构建了一种独特的三维（3D）网络结构复合材料NiFeCoP@Ti₃C₂Tₓ。其中，Co、Fe共掺杂的Ni₂P（NiFeCoP）纳米片通过异质结锚定在Ti₃C₂Tₓ纳米片上。

该3D网络结构不仅建立了三维导电网络，还在异质界面处产生了内建电场，有效加速了电子/离子传输，同时提高了电极的结构稳定性。DFT计算表明，Co掺杂进一步优化了NiFeCoP的电子结构，引入了更多活性位点，促进了电化学反应动力学。同时，Ni、Fe、Co不同氧化还原电位的协同效应有效缓冲了充放电过程中的体积变化。作为锂离子电池负极，NiFeCoP@Ti₃C₂Tₓ在不同电流密度下均表现出优异的电化学性能：0.5 A/g下循环340次后容量为950 mAh/g，1 A/g下循环900次后为816 mAh/g，2 A/g下循环1000次后为541 mAh/g。相关研究成果以“Heterojunction-engineered Co, Fe co-doped Ni₂P@Ti₃C₂Tₓ with 3D network structure for enhanced lithium storage”为题发表在化工领域《Journal of Alloys and Compounds 》期刊上(杨建教授为通讯作者、江尉为论文一作)。

2图文导读

图1. NiFeCoP@Ti3C2Tx 复合材料的制备流程示意图。

图2. （a、b）XRD 图谱；（c、d）NiFeCoP@Ti3C2Tx的SEM图像；(e)TEM图像；（f–g）HR-TEM图像；(h) SAED 图谱；（i–l）STEM-EDS元素分布图。

图3. a) S-NRP@Ti3C2Tx在0.2 mVs-1时的CV曲线，b) S-NRP@Ti3C2Tx、NRP@Ti3C2Tx、RP/Ti3C2Tx和RP的速率能力，c) S-NRP@Ti3C2Tx在0.2-4 a g-1时的GCD曲线，d) S-NRP@Ti3C2Tx、NRP@Ti3C2Tx、RP/Ti3C2Tx和RP在1 a g-1时的库仑效率和循环性能，f) S-NRP@Ti3C2Tx、NRP@Ti3C2Tx、RP/Ti3C2Tx和RP在2 a g-1时的库仑效率和循环性能，f) EIS曲线以及S-NRP@Ti3C2Tx、RP/Ti3C2Tx和RP的Z '和ω1/2的关系，以及等价电路(插图)。h-k)在1 Ag-1下循环300次前后RP和S-NRP@Ti3C2Tx电极的SEM横截面图像。

图4. (a) Ni₂P 、NiFeP和NiFeCoP的 PDOS ；(b)NiFeCoP中Ni、Co和Fe的 TDOS ；(c) Ni₂P 及 Ni₂P / Ti₃C₂O₂ 异质结的 PDOS ；(d) Ni₂P 的工作函数；(e) Ti₃C₂O₂ 的工作函数；(f) Ni₂P / Ti₃C₂O₂ 异质结构的工作函数；(g) Ti₃C₂O₂ / Ni₂P 异质结的三维差分电荷密度等值面图；(h)二维差分电荷密度等高线图；(i)沿界面法线方向的平面平均电荷密度差。

图5. NiFeCoP@ Ti₃C₂Tₓ 的：(a) 在0.2、0.4、0.6、0.8和1 mV/s速率下的循环伏安曲线，以及log(i)对log（ν）的作图关系（插图）；(b) 在0.2、0.4、0.6、0.8和1 mV/s速率下电容行为的贡献比；(c) 1 mV/s速率下电容行为的贡献；(d，e) EIS曲线及Z′与w-1/2的线性拟合；(f) NiFeCoP@ Ti₃C₂Tₓ 、NiFeP@ Ti₃C₂Tₓ 、NiFeCoP和NiFeCoP@ Ti₃C₂Tₓ 在2 A/g电流密度下循环500次后的 GITT 曲线；(g，h) 充放电过程中的Li+扩散系数。

3小结

本文通过磷化NiFeCo-LDH@Ti₃C₂Tₓ成功合成了具有3D网络结构的NiFeCoP@Ti₃C₂Tₓ复合材料。NiFeCoP纳米片通过异质结锚定在Ti₃C₂Tₓ上，形成内建电场，比表面积为50.1 m²/g。作为LIBs负极，该材料在不同电流密度下均表现出优异的循环稳定性（0.5 A/g下340次循环后950 mAh/g，1 A/g下900次循环后816 mAh/g），优化的Li⁺扩散系数（1.03×10⁻¹¹ cm²/s）和伪电容贡献（0.2–1 mV/s下58–73%）。3D网络异质结构协同内建电场加速了电子/离子传输并增强了结构稳定性；Co掺杂优化电子结构、增加活性位点；Ni/Fe/Co不同氧化还原电位协同缓解体积变化。该工作为设计高性能磷化物基储能材料提供了可行策略。