背景介绍

近年来，过渡金属硫属化物凭借其较高的理论容量与独特的层状结构，被视为极具发展潜力的钠离子电池负极材料。其中，MoS₂虽具有利于Na⁺嵌入与脱出的大的层间距，但其本征导电性差、片层易堆叠且循环过程中大的体积变化，仍严重制约了其储钠性能的进一步提升。针对上述问题，上海大学张海娇教授等团队以低成本的大肠杆菌衍生碳为骨架，在碳点调控下，通过水热-硒化策略成功构筑了CD-MoSe₂-MoS₂/EC复合材料。实验结果与理论分析表明，电化学性能的提高主要归功于MoSe₂-MoS₂异质界面的构筑、双碳协同导致的连续导电网络，以及扩大的晶面间距对Na⁺传输动力学的促进，共同赋予了该负极材料优异的储钠性能。该策略为低成本高性能钠离子电池负极材料的可控制备提供了新的参考。

图文解读

图1.（a）大肠杆菌的培养过程，（b）CD-MoSe₂-MoS₂/EC复合材料的合成过程示意图。

图1a为大肠杆菌的培养过程：首先将固体培养基上的大肠杆菌转移至液体培养基中，于37 °C下振荡培养。随着菌体的不断繁殖，液体逐渐由澄清变为浑浊。图1b为CD-MoSe₂-MoS₂/EC复合材料的典型制备过程。通过一锅水热法，在大肠杆菌衍生碳（EC）基底上原位生长MoS₂，同时加入碳点（CD）以调控MoS₂的成核与生长。碳点表面丰富的官能团可有效促进MoS₂纳米片的均匀生长，抑制其团聚与堆叠。随后经过硒化处理，部分MoS₂转化为MoSe₂，最终形成CD-MoSe₂-MoS₂/EC复合纳米结构。该设计中，生物质衍生碳提供了导电骨架，碳点增强了界面调控与成核均匀性，而MoSe₂-MoS₂异质结构则进一步改善了电荷分布与反应动力学。

图2.（a，b）CD-MoSe₂-MoS₂/EC的SEM图，（c）TEM图，（d）HRTEM图，（e）STEM图及相应的元素分布图。（f）MoS₂的（002）晶面及其层间距，（g）MoSe₂的（103）晶面及其层间距。

由SEM与TEM图可清楚的看到（图2a、2b），所得CD-MoSe₂-MoS₂/EC样品整体保留了原始大肠杆菌的形貌，表明细菌衍生碳发挥了有效的模板支撑作用。同时，纳米片在碳基体表面的均匀分布，证实碳点能够有效诱导并促进MoS₂纳米片的均匀生长。HRTEM图像清晰呈现出对应于MoS₂和MoSe₂的晶格条纹，证实了异质结构的成功构建。元素面分布分析进一步表明，Mo、S、Se、C、O、N元素在材料中分布均匀。此外，与体相MoS₂相比，该复合材料中扩大的层间距更有利于钠离子的传输动力学。

图3.（a）CD-MoSe₂-MoS₂/EC、CD-MoS₂/EC和MoS₂/EC的XRD图谱,（b）拉曼光谱。（c）CD-MoSe₂-MoS₂/EC的XPS全谱,（d-i）Mo 3d、S 2p、Se 2p、C 1s、N 1s和O 2p的高分辨XPS谱图。

图3a为三个样品的XRD图谱，可以清楚的看到CD-MoSe₂-MoS₂/EC在13.4°、33.1°、37.7°、39.2°和57.8°处出现了明显的衍射峰，这与六方相2H-MoS₂和2H-MoSe₂的标准衍射位置相吻合，证明样品中同时存在MoS₂和MoSe₂两种晶相。更重要的是，与标准MoS₂的（002）峰相比，样品对应峰位发生了向低角度偏移，进一步表明层间距扩大。Raman光谱（图3b）在403.9 cm^-1和370 cm^-1处出现强峰，分别对应2H- MoS₂的A_1g和E_2g¹模式，说明MoS₂结晶性较好，同时在277 cm^-1和236.8 cm^-1处出现的弱峰则对应2H-MoSe₂的特征振动峰，进一步证实了异质结构的形成。XPS分析（图3d-i）显示样品中含有Mo、S、Se、C、N和O元素，并揭示了Mo-S/Se键、C-S键以及多种含氧、含氮官能团的存在，说明碳骨架与活性组分间存在较强的界面相互作用，这对于提升材料的导电性、界面稳定性和电化学反应活性都具有积极意义。

图4.（a）CD-MoSe₂-MoS₂/EC电极在扫描速率为0.1 mV s^-1时前3圈的CV曲线，（b）CD-MoSe₂-MoS₂/EC电极在0.1 A g^-1下的恒流充放电曲线。（c）三个电极在0.1 A g^-1下的循环性能，（d）倍率性能，（e）CD-MoSe₂-MoS₂/EC、CD-MoS₂/EC和MoS₂/EC电极的容量保持率比较。（f）CD-MoSe₂-MoS₂/EC电极与其他MoS₂基钠离子电池材料倍率性能的比较。（g）CD-MoSe₂-MoS₂/EC与已报道二硫化钼基材料可逆容量的比较。

图4为CD-MoSe₂-MoS₂/EC电极的储钠性能。CV曲线表明，首圈在约0.33 V处出现还原峰，对应SEI膜形成和Na⁺在碳缺陷位中的不可逆嵌入，随后两圈的还原峰稳定在约0.9 V，表明电极具有较好的电化学可逆性。恒流充放电测试结果表明，CD-MoSe₂-MoS₂/EC电极首圈放电比容量达到635 mAh g^-1，明显高于CD-MoS₂/EC的450 mAh g^-1和MoS₂/EC的547 mAh g^-1。循环性能方面，CD-MoSe₂-MoS₂/EC在0.1 A g^-1下循环100圈后仍保持448.9 mAh g^-1，容量保持率达到70.7%，而MoS₂/EC仅为98.3 mAh g^-1。倍率性能测试进一步表明，CD-MoSe₂-MoS₂/EC在0.1、0.2、0.5、1.0和2.0 A g^-1下分别可输出439、385、338、311和284 mAh g^-1的可逆容量，当电流密度恢复到0.1 A g^-1时，容量仍可回升至402 mAh g^-1，充分体现了其良好的结构稳定性和电化学可逆性。这些结果进一步表明MoSe₂-MoS₂异质结构、扩大的层间距以及双碳导电网络协同促进了电子/离子传输，并有效缓解了循环过程中的体积膨胀效应。

图5.（a）CD-MoSe₂-MoS₂/EC电极在0.1-1 mV s^-1下的CV曲线，（b）阳极峰和阴极峰对应的b值拟合，（c）CD-MoSe₂-MoS₂/EC在不同扫描速率下赝电容贡献与扩散控制贡献的比例，（d）在0.6 mV s^-1下赝电容控制和扩散控制的贡献。（e，f）CD-MoSe₂-MoS₂/EC电极的EIS结果的DRT转换图。（g）CD-MoSe₂-MoS₂/EC、CD-MoS₂/EC和MoS₂/EC电极的GITT曲线，（h）计算得到的Na⁺扩散系数，（i）表面接触角测试。

图5为电极材料的动力学和界面过程分析。不同扫描速率下的CV曲线及对应的b值拟合结果表明，CD-MoSe₂-MoS₂/EC的储钠行为以赝电容贡献为主，定量分析显示，其在0.6 mV s^-1扫描速率下的赝电容贡献已达到81%（图5a-d）。基于电化学阻抗谱的弛豫时间分布（DRT）分析表明，CD-MoSe₂-MoS₂/EC电极表现出更快的界面反应与离子扩散动力学（图5e，f）。恒流间歇滴定技术（GITT）结果进一步说明，扩大的层间距与异质界面协同改善了Na⁺的扩散行为（图5g，h）。此外，接触角测试表明该材料具有更优的电解液润湿性（图5i）。

图6.（a）三个电极在0.1A g^-1下循环100次前后的SEM横截面图,（b）循环前后电极厚度与膨胀率。

图6a为三个电极循环前后的横截面SEM图。循环前，三个电极均表现出较均匀、致密的截面结构。循环100圈后，CD-MoSe₂-MoS₂/EC的电极厚度仅由约7.25 μm增加到8.32 μm，整体仍较为完整，而另外两个样品的厚度增加更为显著。图6b对循环前后电极厚度和膨胀率进行了定量比较。CD-MoSe₂-MoS₂/EC的厚度增幅仅为14.7%，显著低于CD-MoS₂/EC的26.1%和MoS₂/EC的34.4%。这直接说明该异质结构复合材料在反复嵌脱钠过程中具有更强的抗体积膨胀能力，更有利于维持电极结构的完整性。

图7.（a）Na吸附后MoSe₂、MoS₂及MoS₂/MoSe₂异质结构沿z方向的电荷密度差,（b）对应的Na⁺吸附能。（c）CD-MoSe₂-MoS₂ /EC电极的储钠优势机理示意图。

理论模拟进一步分析了复合材料性能提升的主要原因。如图7所示，电荷密度差结果表明，在MoS₂/MoSe₂异质结构中，电子明显从MoS₂一侧迁移到MoSe₂一侧，并在异质界面附近发生富集，说明该界面能够有效调控局域电荷分布。吸附能计算结果显示，MoS₂/MoSe₂异质结构的吸附能为-3.60 eV，明显低于纯MoSe₂的-2.54 eV和纯MoS₂的-2.42 eV，表明异质结对Na⁺具有更强的吸附能力。结合实验和理论结果，图7c简要概括了所得复合材料的主要储能优势：双碳组分构筑了连续导电网络，MoSe₂-MoS₂异质界面提供了丰富的活性位点，而扩大的层间距促进了Na⁺的传输动力学。

总结与展望

本工作创新性地整合了细菌衍生碳骨架、零维碳点量子修饰与MoSe₂-MoS₂异质结构三重策略，构建了多尺度协同的储钠体系。其中，大肠杆菌衍生碳赋予了稳定的导电缓冲域，碳点提供了界面修饰与额外储钠位点，异质结构则优化了本征电荷转移动力学。三者的有机耦合有效提升了层状硫化物的倍率与循环性能，为低成本钠离子电池负极材料的理性设计提供了可复制的技术范式。得益于这些优势，所得复合材料表现出优异的储钠性能，在100 mA g^-1下循环100圈后仍保持450.5 mAh g^-1的可逆容量，在2000 mA g^-1的高电流密度下，仍可输出284 mAh g^-1的容量。

原文信息

相关成果以“Promoting sodium storage performance of bacteria-derived carbon/MoS₂-MoSe₂ heterostructure enabled by carbon dot”为题发表在Green Energy & Environment期刊，上海大学硕士生闫青纯为第一作者，上海大学张海娇教授、袁帅研究员和南京邮电大学黄镇东教授为共同通讯作者。10.1016/j.gee.2026.05.024 

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部

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