Resolving adsorption mechanism of sodium polysulfides on Tim+1CmO2 MXenes for application in sodium-sulfur batteries: A first-principles study

Bài báo thuộc danh mục ISI (Q1) do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn- Khoa Khoa học cơ bản trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; TS. Phùng Thị Việt Bắc- Trường Đại học VinUniversity; TS. Đặng Minh Triết; TS. Nguyễn Trường Long; TS. Nguyễn Thị Bảo Trang- trường Đại học Cần Thơ; TS. Nguyễn Trúc Anh -Trường Đại học Bách khoa Cần Thơ; Ths. Nguyễn Võ Anh Duy- Đại học FPT Cần Thơ; GS.TS. Peter Schall- Đại học Amsterdam- Hà Lan; ThS. Tô Văn Nguyện- Trường Đại học Lê Quý Đôn; TS. Nguyễn Văn Nghĩa- Trường Đại học Kiến trúc đăng trên tạp chí Applied Surface Science trong tập 687 do nhà xuất bản Elsevier ngày 01 tháng 4 năm 2025 tại trang 162210.

Hiện nay, pin Li-ion rất phổ biến trong đời sống vì có hiệu suất cao. Tuy nhiên, do nguồn cung lithium ngày càng khan hiếm làm cho pin lithium càng ngày càng trở nên đắt đỏ. Nhiều công trình khoa học tiến hành nhằm tìm kiếm các vật liệu thay thế pin Li-ion bằng cách sử dụng các ion kim loại kiềm và kiềm thổ như Na⁺, K⁺, Ca²⁺ và Mg²⁺ để thay thế. Trong số các vật liệu đó thì pin natri–lưu huỳnh (Na–S) hoạt động ở nhiệt độ phòng được kỳ vọng có thể đáp ứng các yêu cầu thương mại nhờ có mật độ năng lượng cao và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, pin này còn một số hạn chế, đặc biệt là hiệu ứng shuttle và độ dẫn điện kém của các thành phần hoạt tính, đã cản trở hiệu suất và độ bền của thiết bị. Việc ngăn chặn hiệu quả hiệu ứng shuttle và cải thiện độ dẫn điện là hai yếu tố then chốt nhằm tối ưu hóa hiệu năng của các thế hệ pin Na–S, nhằm hướng tới thương mại hóa pin sodium sulfide.

Trong bài báo, nhóm tác giả đã sử dụng tính toán nguyên lý đầu tiên (first-principles calculations) để khảo sát khả năng của các vật liệu MXene thuộc hệ Tim+1CmO₂ (với m = 1, 2, 3) như vật liệu nền hấp phụ và lưu giữ cố định các cụm polysulfide sodium (Na₂Sₓ) trong pin Na–S. Kết quả cho thấy tất cả các cấu trúc MXene thể hiện sự hấp phụ mạnh với các cụm Na₂Sₓ, đặc biệt là vật liệu Ti₄C₃O₂, nổi bật với khả năng hấp phụ vượt trội và tăng cường độ dẫn điện sau khi hấp phụ. Ngoài ra, nghiên cứu đã xác định được hai cơ chế hấp phụ đặc trưng, tương ứng với các cụm polysulfide có hàm lượng lưu huỳnh thấp và cao, dựa trên tỷ lệ hóa hấp phụ. Cơ chế tương tác điện tử được phân tích thông qua công cụ Bader cho thấy sự chuyển dịch điện tích từ nguyên tử lưu huỳnh của chuỗi Na-S về phía bề mặt MXene trong quá trình hấp phụ. Nhờ rào cản năng lượng khuếch tán đối với các cụm Na₂Sₓ trên bề mặt Ti₄C₃O₂, nghiên cứu kết luận rằng vật liệu này là một ứng viên đầy hứa hẹn trong vai trò nền để neo các polysulfide, góp phần quan trọng thúc đẩy công nghệ pin Na–S trong tương lai.

Abstract: Room-temperature sodium–sulfur batteries promise great applications in large-scale energy storage systems owing to their high energy densities and environmental friendliness. However, their unfavorable features of shuttle effect due to the dissolution of high order sodium polysulfies in electrolyte solvents and poor conductivity hinder their practical usages. Suppressing the shuttle effect and enhancing the electronic conductivity of sodium-sulfur (Na-S) batteries are crucial for attaining the desirable performance of next-generation Na-S batteries. In this study, we employ first-principles calculations to evaluate the capability of Tim+1CmO2 MXenes (m = 1, 2, 3) as anchoring material for capturing sodium polysulfide clusters in Na-S batteries. All three MXenes exhibit strong adsorption with sodium polysulfides, particularly Ti4C3O2, which shows outstanding affinity and higher conductivity upon adsorption. Furthermore, we uncover two distinct adsorption scenarios for low sulfur and high sulfur content of Na2Sx clusters depending on their chemisorption ratios. The adsorption mechanism is supported by the significant Bader charge transfer quantifying the electron transfer during the adsorption process from the sulfur atoms to the MXenes. Finally, thanks to the low energy barriers of Ti4C3O2 MXenes upon adsorption of Na2Sx clusters, we demonstrate that Ti4C3O2 MXenes serve as excellent anchoring material for the future technology development of Na-S batteries.

Keyword: Na2Sx; MXene; Ti4C3O2MXene

Toàn văn bài báo tải về tại đây: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.162210

Một vài hình vẽ trong bài báo