兰州大学研究团队打破思维定式提出MXene材料诱导引发剂的新概念

兰州大学研究团队打破思维定式提出MXene材料诱导引发剂的新概念

兰州大学研究团队近日在MXene材料研究领域取得重要突破。他们提出了一种新的MXene材料原位诱导生长策略，通过将其作为异质成核点和引发剂，成功调控了钒氧化物阴极材料的晶体生长模式，显著提升了电池性能。

MXene材料是一类二维过渡金属碳氮化合物，化学式为Mn+1XnTm，其中，“M”代表过渡金属元素（主要为铬、钼、锰、铁、钴、铜、铝、银、镍、钯、铂和钌等元素），“X”代表碳和氮元素，“T”则代表材料表面的官能团（-OH、-F和-Cl等）。MXene是由MAX相（Mn+1AXn）通过刻蚀作用将A从MAX相中移除而得到，如图1所示。MXenes因其独特的二维层状结构、良好的导电性和优异的机械性能，自2011年首次被报导后就受到了研究者们的关注，已广泛应用于二次电池、超级电容器、电磁屏蔽、肿瘤治疗、生物传感器和光催化等领域。

图1.MAX相(Mn+1AXn)转换为MXene相(Mn+1XnTx)示意图

近年来，科学家们对MXene在水系锌离子电池中的应用进行了大量研究，相关研究工作包括将MXene作为电池阴极和阳极的支撑材料，隔膜的人工界面层，以及液态或凝胶电解质的添加剂等。然而，由于MXene较弱的赝电容存储机制，在通常合成条件或者测试环境下，MXene在水系锌离子电池中可逆容量极低。在作为电池阴极材料的研究中，其通常作为导电材料引入阴极材料中。然而，大量MXene材料作为导电基底或者框架的引入，通常无法避免地将导致电极整体比容量的下降，需要提出一种新的策略与概念，打破将MXene材料视为导电材料的思维范式。

鉴于此，兰州大学材料与能源学院彭尚龙教授团队受到聚合物电解质工程的启发，提出了一种基于MXene材料的原位诱导生长策略。该策略通过在电极材料的成核和生长过程中引入少量的MXene，作为异质成核点和引发剂，调控阴极材料的晶体生长模式，实现了电化学性能的提升。而且，此方法具有一定的普遍意义，可推广到其它材料体系中。作为概念化的验证，以钒氧化物阴极为例，成功地调控了钒氧化物的形貌，并引入了缺陷。研究结果显示不仅在合成阶段直接引入了氧缺陷，而且避免了特定反应环境或容器的需求，实现了高安全性和高产量。通过这种方法得到的诱导钒氧化物表现出高的比容量和良好的倍率性能。此外，这项工作通过对Ti3C2MXene调控钒氧化物晶体生长模式相关机理的讨论，还揭示了MXene在晶体生长过程中的化学诱导机制与策略可行性，这将有助于深入理解、开发和推广MXene材料的原位诱导生长方法在二次电池领域的应用。

图2.MXene原位诱导生长概念的提出和诱导引发剂概念的验证

图3.MXene原位诱导钒氧化物作为水系锌离子电池电极材料的电化学性能对比

相关研究成果以“Using MXene as a Chemically Induced Initiator to Construct High-Performance Cathodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题于2024年6月11日发表在《德国应用化学》[Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202408667]。这一工作也是该课题组在MXene材料制备及其应用于水系锌离子电池[Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2211679]和锂硫电池[Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2309437]后取得的又一个重要研究成果。