2022年7月28日，中国科学技术大学刘啸嵩教授和陈双明副研究员、王昌达副研究员在清华大学主办的能源期刊Nano Research Energy(https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)上发表题为“Vacancy manipulating of molybdenum carbide MXenes to enhance faraday reaction for high performance lithium-ion batteries”的最新研究成果。

图1 (a) Mo_1.33CT_x电极材料的储锂过程示意图；(b) 有序空位Mo_1.33CT_x的STEM图；(c) 基于XAFS的Mo原子价态拟合；(d) 傅里叶变换的Mo K边EXAFS谱。

纳米材料中普遍存在点缺陷、线缺陷、面缺陷等固有缺陷，通过操纵缺陷来调节局域电子结构和原子配位环境以调控材料的物理化学性质，称为“本征”策略。空位缺陷引发的能量畸变相对较小，会显著影响电极材料的电子结构，引入杂质能级，有效提高电子电导，进而加速电极氧化还原反应的电荷转移过程。同时，离子空位本身可以作为吸附和传输的额外活性位点，增强了Li⁺的存储能力。空位缺陷还降低了碱金属离子的扩散能垒，有利于可逆的嵌入脱出。MXenes具有独特的层状结构、丰富的表面基团和优异的物理化学性质，但受限的插层赝电容过程和活性位点不足抑制了其存储性能。因此，发展空位调控的MXenes高容量电极材料，并兼顾循环稳定性是实现高性能锂离子电池的关键。

本文通过M位合金化策略设计了具有面内化学有序结构的四元(Mo_2/3Y_1/3)2AlC i-MAX相。随后，通过氢氟酸刻蚀除去了Y和Al原子，形成了具有交替有序阳离子空位的Mo_1.33CT_x i-MXene纳米片。与Mo₂CT_x相比，Mo_1.33CT_x具有特殊的花状形貌和更大的比表面积。基于同步辐射的X射线表明，有序空位的引入致使Mo原子的平均价态增加到+4.44。得益于引入的原子活性位点和高价态的Mo，Mo_1.33CT_x表现出改进的赝电容和增强的法拉第反应，从而大大提高了比容量。在0.2 A·g^–1时，Mo_1.33CT_x具有603.7 mAh·g^–1的存储容量，优于大多数原始的MXenes。Li⁺存储动力学分析和DFT模拟结果表明，与Mo₂CT_x相比，改进的性能源于充放电过程中增加了更多的电荷补偿，从而增强了法拉第反应。空位调控为实现MXenes在锂离子电池中的应用提供了一种有效的策略。

相关论文信息：

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 .