［本站讯］近日，材料科学与工程学院冯金奎教授课题组在能源材料可控制备及界面构效关系领域取得系列进展，在国际期刊Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters等发表一系列学术论文，其研究成果对能源材料的微观结构调控、构效关系以及界面反应机制提供了重要参考，为新能源储能器件的迅速发展提供了理论和技术方面的支撑，研究成果均以山东大学为第一完成单位。

图1 相态重构的无氟Ti₃C₂T_x蚀刻路线示意图

二维过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)的大量研究主要集中在扩大层间距、表面官能团修饰和构建复合结构。然而，对MXenes的配位化学仍然缺乏基本的了解。材料学院冯金奎课题组博士后张新鲁通过新的一锅蚀刻策略，制备了具有可调控配位化学的分级多孔N-掺杂碳包覆的无氟Ti₃C₂T_x。基于Ti的相态重构和多级孔氮掺杂的碳（HPNC）的协同作用，提高了对多硫化物的结合能，降低了反应能垒和加速氧化还原动力学，并促进了多硫化锂的物理固定，赋予了锂硫电池优异的电化学性能。这项工作提供了一种新的和通用的蚀刻策略，即直接合成具有可调整配位化学的无氟MXene，以探索结构和电化学特性之间的相关性(Adv. Energy Mater. 2023, 2301349)。

图2 真空法制备MXenes的新策略

MXenes是一种新兴的二维材料，由于其独特的物理化学性质而受到了极大的关注。然而，由于合成过程存在成本高、对环境有害等问题，阻碍了MXenes的广泛应用。课题组提前毕业博士生安永灵提出了一种无氟无酸的物理真空蒸馏策略，直接合成一系列MXenes。具体而言，通过在MAX中引入低沸点元素，然后通过物理真空蒸馏蒸发A元素，制备出无氟MXenes (Ti₃C₂T_x, Nb₂CT_x, Nb₄C₃T_x, Ta₂CT_x, Ti₂NT_x, Ti₃CNT_x等)。这是一个绿色的工艺，不涉及任何酸/碱，所有反应都在真空管炉内进行，避免了对外部环境的污染。此外，通过控制合成温度来调节MXenes的层状结构和比表面积。因此，合成的Ti₃C₂T_xMXene具有更好的钠存储性能(Nano Lett. 2023, 23, 5217)。

图3 MXene在可充电电池有机电极材料中的概述图

能源和环境在世界发展中起着至关重要的作用，随着化石燃料的迅速减少和环境的恶化，能源革命迫在眉睫。有机电极材料具有环境友好、来源丰富和结构多样性等优点，在可充电电池领域具有广阔的应用前景。然而，其存在导电率低、循环过程中活性材料的溶解和粉碎等问题，限制了它们的进一步实际应用。而新型的二维材料MXene，其具有高导电性、独特的结构、优异的机械性能和丰富的表面基团等特点，在改善有机电极材料方面展现了巨大的潜力。因此，2021级博士研究生王正冉全面总结和分析了MXene在有机电极材料中的应用和进展，文章系统讨论了MXene在可充电电池有机电极材料中的最新进展。总结MXene和有机电极材料制备方法和复合机理的同时，深入分析了MXene在有机电极材料中的重要作用(Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2210184)。

图4 MXenes及其衍生物在固态储能器件研究中的统计分析

图5 MXenes及其衍生物在固态储能器件的应用

固态储能器件被认为具有提高安全性、长期电化学/热稳定性、能量/功率密度、低包装需求，在大规模储能领域展现了巨大的应用潜力。然而，离子电导率低、界面接触差、树突生长严重等关键问题限制了固态储能器件的实际应用。近年来，由于独特的性质，基于MXenes的固态储能器件取得了重要进展。然而，对这一主题的总体评论是很少的。2021级硕士生满泉言综述了MXenes及其衍生物在固态储能器件的最新研究进展。系统地回顾和讨论了MXenes在增强固态储能器件的电化学行为中的应用、功能化机理和设计策略,并对MXenes基固态储能器件未来的设计策略提出了展望。这篇综述有望帮助研究人员设计和构建具有优越能量密度和安全性的先进固态储能器件(Adv. Funct. Mater. 2023, 2303668)。

上述研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金和以及山东省泰山学者工程等项目的支持，也感谢山东大学公共技术平台仪器设备的支持。

论文链接：

1.Hierarchical Porous N-doped Carbon Encapsulated Fluorine-free MXene with Tunable Coordination Chemistry by One-pot Etching Strategy for Lithium–Sulfur Batteries

2.Fluorine- and Acid-Free Strategy toward Scalable Fabrication of Two-Dimensional MXenes for Sodium-Ion Batteries

3.Application of 2D MXene in Organic Electrode Materials for Rechargeable Batteries: Recent Progress and Perspectives

4.MXenes and Their Derivatives for Advanced Solid-State Energy Storage Devices