【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二維過(guò)渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物(又稱MXenes)因其豐富結(jié)構(gòu)類型和表面化學(xué)修飾特性而成為潛在應(yīng)用廣泛的二維材料家族。自2011年發(fā)現(xiàn)MXenes以來(lái)，人們提出了多種合成路線，并朝著大規(guī)模制備MXene納米片及其衍生物產(chǎn)品的方向發(fā)展。在雙過(guò)渡金屬M(fèi)Xenes中，原子層間有序結(jié)構(gòu)被稱為o-MXenes，其中兩個(gè)過(guò)渡金屬原子分布在不同原子層的不同Wyckoff軌道上。通常，MXenes的制備方法是從前驅(qū)體MAX相的原子結(jié)構(gòu)中選擇性地蝕刻A層原子(Al、Si和Ga)，然后進(jìn)一步剝離成少數(shù)甚至單層分散體。與碳化物相比，碳氮化物和氮化物MXenes的數(shù)量相對(duì)稀少。迄今為止，只有少數(shù)碳氮化物或氮化物是通過(guò)直接蝕刻相應(yīng)的氮化物MAX相或采用后氨化法合成碳化物MXenes。基于有序雙過(guò)渡金屬二維碳氮化合物o-MXene實(shí)驗(yàn)尚未報(bào)道，對(duì)其在鋰離子電池儲(chǔ)能方面應(yīng)用潛力也有待于闡明。
 

　　西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院新型儲(chǔ)能與能量轉(zhuǎn)換納米材料研究中心肖冰教授與成永紅教授課題組合作，通過(guò)第一性原理反應(yīng)熱力學(xué)模型預(yù)測(cè)了代表性的有序雙過(guò)渡金屬二維材料Mo2TiC2Tx，通過(guò)氨化反應(yīng)獲得對(duì)應(yīng)的過(guò)渡金屬碳氮二維材料在熱力學(xué)上相較于直接的N2氮化反應(yīng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而采用實(shí)驗(yàn)在不同的退火溫度和退火時(shí)間下對(duì)Mo2TiC2Tx的雙過(guò)渡金屬M(fèi)Xene進(jìn)行氨化處理，成功地將N原子摻雜到C原子晶格位點(diǎn)，成功制備了分子式為Mo2Ti(C1-δNδ)2Tx全新o-MXenes二維材料。電化學(xué)性能測(cè)試研究表明Mo2Ti(C1-δNδ)2Tx儲(chǔ)Li+容量在0.03 A/g掃描速率下可以達(dá)到750 mAh/g；在2 A/g掃描速率下，容量也達(dá)到200 mAh/g，遠(yuǎn)高于本征Mo2TiC2Tx容量(100 mAh/g)。綜合第一性原理擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)GITT測(cè)試表明Mo2Ti(C1-δNδ)2Tx通過(guò)插層反應(yīng)過(guò)程的電容性電荷存儲(chǔ)機(jī)制主導(dǎo)了其儲(chǔ)能容量貢獻(xiàn)，且電極中離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)行為揭示了通過(guò)多層Li+吸附機(jī)制誘導(dǎo)空位濃度調(diào)控的電化學(xué)倍率特性。總之，氨化MXenes電極在電極-電解質(zhì)界面的Li+擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)方面也表現(xiàn)出優(yōu)于未加工Mo2TiC2Tx的性能，為氨化雙過(guò)渡金屬M(fèi)Xenes用作鋰離子電池和超級(jí)電容器的高性能電極材料開(kāi)辟了一條新途徑。
 

　　近日，該研究成果以《氨化Mo2TiC2TxMXenes作為鋰離子電池負(fù)極實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率、儲(chǔ)能容量和循環(huán)穩(wěn)定性》(Achieving High Electrical Conductivity, Energy Storage Capacity and Cycling Stability in Ammoniated Mo2TiC2TxMXenes as Anode for Lithium-ion Battery)為題發(fā)表于能源類領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《材料化學(xué)期刊A》(Journal of Materials Chemistry A，影響因子10.7，TOP期刊，JCR分區(qū)Q1)。
 

　　該論文第一作者為西安交通大學(xué)電氣學(xué)院博士生劉菁雅，通訊作者為西安交通大學(xué)電氣學(xué)院肖冰教授和成永紅教授。西安交通大學(xué)電氣學(xué)院為該論文唯一單位。該項(xiàng)目研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：51807146)和西安交通大學(xué)“青年拔尖人才支持計(jì)劃”(編號(hào)：DQ1J009)的資助。表征及測(cè)試工作得到西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心的支持。