2022年7月28日，中國科學技術大學劉嘯嵩教授和陳雙明副研究員、王昌達副研究員在清華大學主辦的能源期刊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電極材料的儲鋰過程示意圖；(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缺陷、線缺陷、面缺陷等固有缺陷，通過操縱缺陷來調節(jié)局域電子結構和原子配位環(huán)境以調控材料的物理化學性質，稱為“本征”策略?？瘴蝗毕菀l(fā)的能量畸變相對較小，會顯著影響電極材料的電子結構，引入雜質能級，有效提高電子電導，進而加速電極氧化還原反應的電荷轉移過程。同時，離子空位本身可以作為吸附和傳輸?shù)念~外活性位點，增強了Li⁺的存儲能力?？瘴蝗毕葸€降低了堿金屬離子的擴散能壘，有利于可逆的嵌入脫出。MXenes具有獨特的層狀結構、豐富的表面基團和優(yōu)異的物理化學性質，但受限的插層贗電容過程和活性位點不足抑制了其存儲性能。因此，發(fā)展空位調控的MXenes高容量電極材料，并兼顧循環(huán)穩(wěn)定性是實現(xiàn)高性能鋰離子電池的關鍵。

本文通過M位合金化策略設計了具有面內化學有序結構的四元(Mo_2/3Y_1/3)2AlC i-MAX相。隨后，通過氫氟酸刻蝕除去了Y和Al原子，形成了具有交替有序陽離子空位的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?；谕捷椛涞腦射線表明，有序空位的引入致使Mo原子的平均價態(tài)增加到+4.44。得益于引入的原子活性位點和高價態(tài)的Mo，Mo_1.33CT_x表現(xiàn)出改進的贗電容和增強的法拉第反應，從而大大提高了比容量。在0.2 A·g^–1時，Mo_1.33CT_x具有603.7 mAh·g^–1的存儲容量，優(yōu)于大多數(shù)原始的MXenes。Li⁺存儲動力學分析和DFT模擬結果表明，與Mo₂CT_x相比，改進的性能源于充放電過程中增加了更多的電荷補償，從而增強了法拉第反應。空位調控為實現(xiàn)MXenes在鋰離子電池中的應用提供了一種有效的策略。

相關論文信息：

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，由清華大學曲良體教授和香港城市大學支春義教授共同擔任主編。Nano Research Energy是一本國際化的多學科交叉，全英文開放獲取期刊，聚焦納米材料和納米科學技術在新型能源相關領域的前沿研究與應用，對標國際頂級能源期刊，致力于發(fā)表高水平的原創(chuàng)性研究和綜述類論文。本刊為開放獲取，2023年之前免收APC費用，歡迎各位老師踴躍投稿。投稿請聯(lián)系：NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn.