基于MXene的中等熵超级电容器的高通量筛选

《Journal of Energy Storage》：High-throughput screening of medium-entropy MXene-based supercapacitors

MXenes作为2D过渡金属碳/氮化物材料，因其高导电性、大比表面积和可调表面化学，成为超级电容器研究热点。本研究通过DFT计算和AIMD模拟，系统评估了6种金属（Ti/V/Nb/Cr/Ta/Mo）构成的单金属及中等熵MXenes（3-4种金属近等摩尔比）的量子电容，发现单金属Nb3C2（5983.8 μF/cm2）量子电容最高，中等熵结构（TiVCrTa）0.75C2（4706.3 μF/cm2）和（TiCrNbTa）0.5C（3238.8 μF/cm2）分别次之，表明多金属协同效应可显著提升电荷密度分布与费米能级匹配度，进而增强电化学性能。该高通量筛选为实验设计提供理论指导。

　　MXenes，作为一类二维过渡金属氮化物、碳氮化物或碳化物，因其在超级电容器领域的广泛应用而备受关注。这类材料源于MAX相，具有独特的物理和化学特性，使其成为储能器件的理想选择。其关键特性包括高金属导电性、高比表面积、可调控的表面化学以及良好的亲水性。这些特性使得MXenes在超级电容器中表现出优异的电容性能。例如，Ti3C2作为最早被合成的MXene之一，已展现出高达900 F/cm3的体积电容，而Mo2C则达到700 F/cm3。此外，通过构建宏孔电极结构，Ti3C2的体积电容进一步提升至1500 F/cm3。这些实验成果表明，Ti3C2在超级电容器应用中具有显著的优势。

然而，随着研究的深入，科学家们逐渐意识到，单金属MXene的性能可能受到一定限制。因此，近年来，研究者开始关注多金属组成的MXenes，特别是具有高熵特征的材料。高熵MXenes通常包含5种或以上的过渡金属，并且它们的比例接近等摩尔分布，这种结构有助于提高材料的热力学稳定性。而本文中所提到的中熵MXenes，则是指由3到4种不同金属组成，且这些金属的比例大致相等的MXenes。中熵MXenes可能通过不同金属之间的协同效应，展现出优于单金属MXene的性能。例如，Ti?.?V?.?Cr?Nb?.?Ta?.?C3被报道为一种锌离子混合超级电容器，而Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Mo?.?C4则在超级电容器中表现出284.6 F/g的比电容。此外，(Ti?/?V?/??Cr?/??Nb?/?Ta?/?)?C3在2 mV/s的扫描速率下展现出1688 F/cm3的体积电容，而Ti?V?.?Cr?.?C2则在相同的扫描速率下表现出553.27 F/g的比电容。这些实验结果表明，中熵MXenes在超级电容器应用中同样具有重要潜力。

尽管中熵MXenes展现出优异的电容性能，但其设计过程仍面临诸多挑战。首先，由于MXenes的组成复杂，涉及多种金属元素，因此在实验设计过程中需要大量的时间和精力，尤其是在庞大的参数空间中进行探索。为了克服这一问题，研究者开始采用计算方法，如密度泛函理论（DFT）和从头算分子动力学（AIMD）模拟，以加速对高性能MXene基超级电容器的发现。DFT计算能够提供材料的电子结构信息，尤其是与费米能级相关的区域，这对理解其电容性能至关重要。AIMD模拟则可以揭示材料在动态环境下的行为，包括量子电容的变化以及声子诱导的波动对量子相干性的影响。这些计算方法不仅提高了研究效率，还为实验设计提供了理论指导。

在本文的研究中，作者对一系列单金属和中熵MXenes进行了系统性的DFT计算和高通量筛选，以评估它们作为高性能超级电容器材料的潜力。研究涉及的金属包括Ti、V、Nb、Cr、Ta和Mo，这些金属在MXenes中的组合方式多种多样。通过计算，作者发现Nb3C2在单金属MXenes中表现出最高的量子电容，达到了5983.8 μF/cm2。而中熵MXenes中，(TiVCrTa)0.75C2和(TiCrNbTa)0.5C则分别表现出4706.3和3238.8 μF/cm2的量子电容。这些结果表明，中熵MXenes的量子电容性能优于单金属MXenes，尤其是在与费米能级相关的区域，其电荷分布更为丰富，从而提升了材料的电容能力。此外，作者还通过AIMD模拟揭示了量子电容的动态行为，发现声子诱导的波动在一定程度上影响了量子相干性，其持续时间约为3.5飞秒。

这些研究结果不仅丰富了MXenes在超级电容器领域的理论基础，还为未来的实验研究提供了重要方向。首先，单金属MXenes的性能虽然已经得到了广泛验证，但中熵MXenes的出现为提升电容性能提供了新的可能性。通过合理的金属组合，中熵MXenes能够实现更高的电荷密度，从而增强其电容能力。其次，量子电容的计算和模拟为理解MXenes的电化学行为提供了新的视角。传统的单金属MXenes的电容性能可能无法完全预测中熵MXenes的潜力，因为多金属配置的协同效应在单金属结构中并未体现。因此，通过高通量筛选和系统性计算，研究者能够更全面地评估MXenes的电容性能，并发现潜在的高性能材料。

此外，本文的研究方法为MXenes的理论研究提供了标准化的流程。通过使用VASP（维也纳从头算模拟包）进行自旋极化的DFT计算和AIMD模拟，作者能够获得材料的电子结构信息以及其在动态环境下的行为。这些计算方法不仅提高了研究的准确性，还为材料设计提供了理论依据。例如，通过计算不同金属组成的MXenes的量子电容，作者能够确定哪些材料在特定条件下表现出最佳性能。同时，通过AIMD模拟，作者能够观察到量子电容的动态变化，并分析声子诱导的波动对量子相干性的影响。这些研究结果表明，MXenes的电容性能不仅与其组成有关，还受到其在动态环境下的行为的影响。

总的来说，本文的研究为MXenes在超级电容器领域的应用提供了重要的理论支持。通过对单金属和中熵MXenes的系统性计算和高通量筛选，作者发现Nb3C2在单金属MXenes中表现出最高的量子电容，而中熵MXenes中的(TiVCrTa)0.75C2和(TiCrNbTa)0.5C则在特定条件下展现出优异的电容性能。这些结果不仅揭示了MXenes的电容潜力，还为未来的材料设计和实验研究提供了新的思路。随着计算方法的不断进步，MXenes的理论研究将更加深入，从而推动其在储能领域的实际应用。