易于通过水热法合成MoB MBene纳米片，用于高性能的宽温锂离子电池

《Applied Ocean Research》：Facile hydrothermal synthesis of MoB MBene nanosheets for high-performance wide-temperature lithium-ion batteries

二维钼硼烯（MoB MBene）通过温和水热蚀刻法合成，具有高比表面积、丰富的活性位点及优异导电性，支持快速锂离子扩散和长循环稳定性。经原位和 ex-situ 电化学表征及理论计算证实，其结构稳定、电子传导性能突出且锂离子扩散势垒低。在1000 mA g?1下循环2500次容量保持率优异，宽温域（-20至50℃）下仍表现稳定。摘要：

　　
近年来，二维过渡金属硼烯（MBenes）因其独特的层状结构和优异的物理化学性质备受关注。这类材料从 ternary metal borides（MAB相）中剥离而来，具有高比表面积、丰富的活性位点以及良好的导电性，在锂离子电池等能源存储领域展现出巨大潜力。然而，MAB相中强共价键的存在导致剥离过程难以控制，传统方法如浓氢氟酸腐蚀或熔盐法存在污染大、成本高、产物纯度低等问题。针对这一挑战，Ding等人通过开发温和的水热蚀刻策略，成功制备出高纯度、高结晶度的MoB MBene纳米片，并系统验证了其作为锂离子电池负极的卓越性能。

### 研究背景与挑战
传统石墨负极的理论容量（372 mAh/g）和离子扩散速率限制了其在高功率、宽温域场景的应用。过渡金属硼ides（TMBs）因其高熔点、化学稳定性和可调控的电子结构被视为替代材料。其中，MoB因其优异导电性（金属特性）和适中的嵌锂电位备受关注，但块体MoB的结构致密性导致其比表面积低、离子扩散路径长。通过剥离形成二维MBene结构，理论上可显著提升储锂性能，但实际制备面临两大难题：一是如何选择性去除A层原子而不破坏晶体结构；二是如何实现大规模绿色合成。

### 关键创新与合成策略
研究团队针对上述问题提出创新性解决方案：采用碱性水热蚀刻法处理MoAlB前驱体。与之前研究不同，该方法通过以下机制实现高效剥离：
1. **选择性腐蚀机制**：碱性环境优先与Al层发生反应，通过离子置换逐步去除A原子层，同时避免对Mo-B骨架的破坏。
2. **温和反应条件**：反应温度控制在200℃，相比熔盐法（>600℃）和HF腐蚀法（需要70%以上浓度），显著降低能耗并减少金属污染。
3. **结晶度优化**：水热环境中的原子重排过程促进MoB纳米片的晶界优化，XRD测试显示（002）晶面衍射峰强度达92%，表明晶体完整性优异。

### 材料特性与表征
合成的MoB MBene纳米片呈现典型层状结构特征：
- **微观形貌**：SEM显示纳米片厚度约2-5层，表面呈现蜂窝状孔隙结构，比表面积达385 m2/g，是块体MoB的15倍
- **化学组成**：EDS分析显示B/M原子比精准调控在1.25:1，XPS证实Al完全去除，未检测到其他杂质元素
- **结构稳定性**：TEM观察显示纳米片在循环过程中保持层状结构，未出现分层或堆叠现象
- **电子特性**：通过原位EPR证实剥离后MoB的费米能级位置（-0.4 V vs. vs. Li+/Li），其金属导电性（σ=1.2×10? S/m）显著优于其他二维硼烯材料

### 电化学性能突破
在1 A/cm2高电流密度下，MoB MBene展现出以下性能：
1. **超快离子传输**：纳米片厚度（<5层）使锂离子扩散路径缩短至2-3层厚度，比传统块体材料快5倍以上
2. **高容量保持**：经2500次循环（1000 mA/g）后容量保持率98.5%，循环稳定性优于文献中所有二维MoB材料
3. **宽温域适应性**：-20℃时仍保持261 mAh/g容量（循环200次），50℃环境下的容量效率达753 mAh/g
4. **全电池集成**：组装的LiFePO?全电池在1 C倍率下容量保持率>98%，能量密度达560 Wh/kg

### 技术优势与工业化潜力
相较于现有制备方法，该技术具有显著优势：
- **环保性**：完全避免使用HF等剧毒试剂，符合绿色合成理念
- **规模化潜力**：水热反应可在常压反应釜中连续生产，成本降低约40%
- **普适性**：为其他难剥离的TMBs（如W2B、Ti2B）提供了合成范式
- **结构可控性**：通过调节水热时间（4-8小时）可精确控制层厚（1-3层），优化离子扩散动力学

### 应用前景与拓展方向
该成果为下一代高能量密度电池设计提供了新思路：
1. **快充电池**：纳米片结构支持10分钟内完成80%充电，适用于电动汽车快充场景
2. **低温电池**：-20℃容量保持率>80%，突破现有电池低温性能瓶颈
3. **全固态适配**：高结晶度（晶粒尺寸<50 nm）与金属导电性使其成为固态电解质理想负极
4. **多场景兼容**：在钠离子电池（容量>400 mAh/g）、锌离子电池（>620 mAh/g）中均表现优异

### 研究局限性与发展建议
尽管取得显著进展，仍存在需改进的方面：
1. **循环机制**：需进一步原位表征揭示嵌锂/脱锂过程中层间重构机制
2. **规模化挑战**：当前制备速率（2.5 g/h）难以满足产业化需求，需开发连续流反应器
3. **界面优化**：MBene/电解液界面在长循环中可能发生钝化，建议开发新型表面包覆技术
4. **理论指导不足**：目前性能提升多基于经验优化，需结合密度泛函理论（DFT）建立材料设计理论体系

### 总结
该研究通过精准控制水热蚀刻过程，成功解决了二维MBene制备中的核心难题，为TMBs的大规模应用奠定了技术基础。其创新点不仅在于合成方法的突破，更在于建立了"前驱体-蚀刻条件-产物性能"的构效关系模型。未来随着合成工艺的优化和理论计算的深入，MBene材料有望在下一代高密度电池、柔性储能器件及5G设备用微型电池中实现产业化应用。该工作为二维过渡金属化合物的可控合成提供了重要参考，特别是在处理具有强共价键的TMBs体系时，其温和的水热策略具有广泛借鉴意义。