2022年7月28日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉嘯嵩教授和陳雙明副研究員、王昌達(dá)副研究員在清華大學(xué)主辦的能源期刊Nano Research Energy(https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)上發(fā)表題為“Vacancy manipulating of molybdenum carbide MXenes to enhance faraday reaction for high performance lithium-ion batteries”的最新研究成果。

圖1 (a) Mo_1.33CT_x電極材料的儲(chǔ)鋰過(guò)程示意圖；(b) 有序空位Mo_1.33CT_x的STEM圖；(c) 基于XAFS的Mo原子價(jià)態(tài)擬合；(d) 傅里葉變換的Mo K邊EXAFS譜。

納米材料中普遍存在點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷等固有缺陷，通過(guò)操縱缺陷來(lái)調(diào)節(jié)局域電子結(jié)構(gòu)和原子配位環(huán)境以調(diào)控材料的物理化學(xué)性質(zhì)，稱為“本征”策略?？瘴蝗毕菀l(fā)的能量畸變相對(duì)較小，會(huì)顯著影響電極材料的電子結(jié)構(gòu)，引入雜質(zhì)能級(jí)，有效提高電子電導(dǎo)，進(jìn)而加速電極氧化還原反應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。同時(shí)，離子空位本身可以作為吸附和傳輸?shù)念~外活性位點(diǎn)，增強(qiáng)了Li⁺的存儲(chǔ)能力?？瘴蝗毕葸€降低了堿金屬離子的擴(kuò)散能壘，有利于可逆的嵌入脫出。MXenes具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)、豐富的表面基團(tuán)和優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，但受限的插層贗電容過(guò)程和活性位點(diǎn)不足抑制了其存儲(chǔ)性能。因此，發(fā)展空位調(diào)控的MXenes高容量電極材料，并兼顧循環(huán)穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)高性能鋰離子電池的關(guān)鍵。

本文通過(guò)M位合金化策略設(shè)計(jì)了具有面內(nèi)化學(xué)有序結(jié)構(gòu)的四元(Mo_2/3Y_1/3)2AlC i-MAX相。隨后，通過(guò)氫氟酸刻蝕除去了Y和Al原子，形成了具有交替有序陽(yáng)離子空位的Mo_1.33CT_x i-MXene納米片。與Mo₂CT_x相比，Mo_1.33CT_x具有特殊的花狀形貌和更大的比表面積。基于同步輻射的X射線表明，有序空位的引入致使Mo原子的平均價(jià)態(tài)增加到+4.44。得益于引入的原子活性位點(diǎn)和高價(jià)態(tài)的Mo，Mo_1.33CT_x表現(xiàn)出改進(jìn)的贗電容和增強(qiáng)的法拉第反應(yīng)，從而大大提高了比容量。在0.2 A·g^–1時(shí)，Mo_1.33CT_x具有603.7 mAh·g^–1的存儲(chǔ)容量，優(yōu)于大多數(shù)原始的MXenes。Li⁺存儲(chǔ)動(dòng)力學(xué)分析和DFT模擬結(jié)果表明，與Mo₂CT_x相比，改進(jìn)的性能源于充放電過(guò)程中增加了更多的電荷補(bǔ)償，從而增強(qiáng)了法拉第反應(yīng)?？瘴徽{(diào)控為實(shí)現(xiàn)MXenes在鋰離子電池中的應(yīng)用提供了一種有效的策略。

相關(guān)論文信息：

Guo, X.; Wang, C. D.; Wang, W. J.; Zhou, Q.; Xu, W. J.; Zhang, P. J.; Wei, S. Q.; Cao, Y. Y.; Zhu, K. F.; Liu, Z. F.; Yang, X. Y.; Wang, Y. X.; Wu, X. J.; Song, L.; Chen, S. M.; Liu, X. S. Vacancy manipulating of molybdenum carbide MXenes to enhance faraday reaction for high performance lithium-ion batteries. Nano Res. Energy 2022, 1: e9120026. DOI: 10.26599/NRE.2022.9120026. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120026 .

作為Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官網(wǎng): https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月創(chuàng)刊，由清華大學(xué)曲良體教授和香港城市大學(xué)支春義教授共同擔(dān)任主編。Nano Research Energy是一本國(guó)際化的多學(xué)科交叉，全英文開(kāi)放獲取期刊，聚焦納米材料和納米科學(xué)技術(shù)在新型能源相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究與應(yīng)用，對(duì)標(biāo)國(guó)際頂級(jí)能源期刊，致力于發(fā)表高水平的原創(chuàng)性研究和綜述類論文。本刊為開(kāi)放獲取，2023年之前免收APC費(fèi)用，歡迎各位老師踴躍投稿。投稿請(qǐng)聯(lián)系：NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn.