《Adv. Energy Mater.》发表我院杨晨辉副教授/张爱波教授中熵MXene设计与超电应用最新研究成果

近日，我院杨晨辉副教授、张爱波教授团队联合日本名古屋大学Yusuke Yamauchi教授和西安科技大学汤祎副教授在Advanced Energy Materials期刊在线发表题为《Synergistic Mo/V-Implanted 2D M₃X₂ MXene Nanoarchitectures for Enhanced Structural Stability and Ultrahigh Proton Storage Performance》的研究论文。

随着风能、太阳能等间歇性可再生能源的快速部署，电网对高性能储能系统的需求日益迫切。混合超级电容器（HSCs）能够兼顾高能量密度与高功率密度，在平抑电网波动、平衡供需方面展现出巨大潜力。实现这一潜力的关键在于开发具有高能量/功率密度、快速反应能力和长寿命的电极材料。针对二维Ti₃C₂ MXene在实际应用中面临的层间易重堆叠、高电压下发生不可逆氧化和本征活性位点偏低等问题限制，本研究提出了一种原子尺度的固溶调控策略：在Ti₃C₂骨架中植入Mo和V原子锚定强化MXene框架制备了中熵结构的TiVMoC₂ MXene以实现结构稳定性和电化学活性的协同强化。其中，电负性强的Mo增强了M-C键的共价性质，提高了MXene的抗氧化性能，同时具有多种氧化态的V调节了局部电荷密度增强了Ti₃C₂的赝电容性能。得益于这种结构-活性协同调控机制，在1 M H₂SO₄中，在5 mV s^-1下TiVMoC₂电极具有1081.6 F g^-1和3125.0 F cm^-3的超高重量和体积电容。此外，10A g^-1的高电流密度下，3万次循环后仍能保持初始容量的90.8%，其性能远优于传统的Ti₃C₂和其他双金属MXene。原位和外原位电化学表征表明，质子可以沿着氢键网络在MXene层之间可逆地插入和脱插入，诱导Ti、V和Mo等金属的可逆氧化和还原，属于典型的质子耦合电子传递机制。第一性原理计算表明，Ti、V和Mo原子间的强轨道相互作用使金属d带中心靠近费米能级，并缩小了其与O 2p轨道的能隙。这一电子结构调控有效促进了质子吸附，并降低了离子扩散能垒。该研究为解决M₃X₂型MXene的结构降解和电化学活性不足问题提供了可行策略，为设计用于下一代储能的高性能、长寿命MXene电极指明了新方向。

学院2023级博士研究生谢洋洋为本文的第一作者，杨晨辉副教授、张爱波教授、名古屋大学Yusuke Yamauchi教授和西安科技大学汤祎副教授为本文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、重庆市自然科学基金等项目的资助支持。

论文信息：

Yangyang Xie, Xiaodie Xuan, Yi Tang*, Zhao Bi, Ping Wang, Junhui Zou, Yunqing Kang, Aibo Zhang*, Yusuke Yamauchi*, Chenhui Yang*. Synergistic Mo/V-Implanted 2D M₃X₂ MXene Nanoarchitectures for Enhanced Structural Stability and Ultrahigh Proton Storage Performance. Advanced Energy Materials, 2025, 10.1002/aenm.202505156.

论文链接

https://doi.org/10.1002/aenm.202505156.

图文介绍：

图1. TiVMoC₂的设计与DFT预测：TiVMoC₂的(a) 设计示意图与(b) 制备流程。(c) Ti₃AlC₂和TiVMoAlC₂的形成焓(ΔH_f)与解离能(E_c)计算结果。(d) Ti-C、V-C和Mo-C键COHP分析。Ti₃C₂O₂与TiVMoC₂O₂的(e) 投影态密度和(f) d/p轨道能级分布。

图2. (a) Ti₃C₂和TiVMoC₂薄膜的UPS光谱。(b-c) 在不同温度的空气环境中进行热处理后Ti₃C₂和TiVMoC₂薄膜的XRD图谱。热处理前后的Ti₃C₂和TiVMoC₂薄膜的(d) 拉曼光谱和(e) Ti 2p XPS 光谱。热处理后的Ti₃C₂和TiVMoC₂的(f-g) SEM图和(h-i) EDS结果。

图3. (a) 三电极测试系统示意图。5种MXene膜电极的(b) GCD曲线和(c) 倍率性能。(d) TiVMoC₂与其它固溶型MXene的性能对比。TiVMoC₂电极的(e) 原位Raman、(f) 非原位FT-IR和(g) 原位XRD。(h) 基于Grotthuss机制的MXene层间质子转移示意图。

图4. (a) 在不同水系电解液中TiVMoC₂电极在5 mV s^-1扫速下的CV曲线，(b)五种膜电极在5 mV s^-1下的CV曲线，(c) TiVMoC₂电极在2-100 mV s^-1下的CV曲线。(d) 五种膜电极的质量比容量和体积比容量。(e-f) 五种膜电极阳极和阴极峰值电流与扫描速率的关系。(g) TiVMoC₂电极在20 mV s^-1下CV曲线中电容占总电荷的阴影面积，(h) 五种膜电极的电容贡献。(i) TiVMoC₂薄膜电极在特定充放电电位下的非原位O 1s XPS光谱。

图5. (a) 五种薄膜电极在1 M H₂SO₄中的阻抗图，(b) 实部电容和(c) 虚部电容。(d) 恒电流间歇滴定技术曲线，(e) 对应的离子扩散系数。(f) 循环稳定性与库仑效率。(g) 五种电极的电化学性能指标雷达图。

图6. (a) 柔性准固态可充电超级电容器的结构示意图与光学照片。(b) TiVMoC₂基超级电容器在2-100 mV s^-1扫描速率下的循环伏安曲线。超级电容器器件串联或并联的电化学性能：(c) 在20 mV s^-1下的循环伏安曲线，(d) 在2 A g^-1下的恒电流充放电曲线。(e) 该器件的宽温度范围性能。(f) 在2 A g^-1下的循环稳定性。

图文:杨晨辉  

审核:陈凯杰