基于可再生前驱体的环保型层状碳化物合成及其在储能应用中的性能研究

为解决传统MXenes合成中高成本、高毒性问题，加州大学河滨分校团队开发了以糖类为碳源的溶胶-凝胶法，成功制备Mo2C、W2C和V6C5等高纯度层状金属碳化物。该技术降低50%能耗且避免氢氟酸使用，为可持续能源存储材料开发提供新范式。

　　

在能源存储领域，二维材料MXenes因其独特的层状结构和优异的导电性备受关注。然而传统合成方法依赖氢氟酸(HF)蚀刻MAX相材料，不仅产生有毒氟化物副产物，还需1400-2000°C高温处理，导致高成本和环境负担。更棘手的是，现有工艺难以实现高纯度MXene粉体的大规模生产，严重制约其在下一代储能系统中的应用。

针对这一技术瓶颈，加州大学河滨分校的William Coley、Mihrimah Ozkan团队在《iScience》发表突破性研究。他们创新性地采用糖类等可再生前驱体，通过溶胶-凝胶法在650-950°C相对低温下成功合成Mo₂C、W₂C和V₆C_5-xN_x等层状金属碳化物。该方法摒弃了传统HF蚀刻工艺，能耗降低超50%，且首次实现百克级量产，纯度达99%以上，为可持续能源材料开发开辟新路径。

研究团队运用X射线衍射(XRD)确认晶体结构，扫描电镜(SEM)/透射电镜(TEM)表征形貌，电化学测试评估储能性能，并结合密度泛函理论(DFT)计算揭示锂化机制。关键创新在于：利用葡萄糖既作碳源又作还原剂，通过精确控制前驱体比例和退火条件（真空/氢气氛围），实现过渡金属氧化物向碳化物的原位转化。

X射线衍射分析揭示晶体结构
XRD图谱显示，钼基样品呈现六方相Mo₂C特征峰，钒基材料形成V₆C₅结构，而钨基产物在氢气氛下生成立方相W₂C。值得注意的是，低压(1 Torr)条件会导致钨样品出现氧化钨杂质，证实还原氛围对相纯度的关键作用。

电子显微镜揭示微观形貌
TEM图像显示Mo₂C晶粒均匀嵌入无定形碳基质中，选区电子衍射(SAED)呈现明锐多晶环，证实其高结晶性。EDS元素分析显示钒碳氮化物中V、C、N均匀分布，原子比符合V₆C_4.67N_0.33的碳氮合金特征。

电化学性能呈现差异化表现
恒电流测试表明，W₂C初始容量达492.68 mAh/g（理论值141 mAh/g），但循环100次后容量衰减60%；而V₆C₅虽初始容量仅263.742 mAh/g，却展现优异稳定性。DFT计算揭示钒碳氮化物的锂化能(ΔE_Li)随锂含量增加从-1.28 eV降至-4.44 eV，说明其可稳定容纳多锂离子。

理论计算指导材料设计
通过Quantum ESPRESSO软件计算发现，氮掺杂使V₆C₅锂化能降至-1.45 eV，表明氮原子可优化电子结构。对WC的模拟显示其理论容量达498.72 mAh/g，但实际测试中因电荷转移阻抗过高导致性能受限，为后续改性指明方向。

这项研究的意义在于：首次建立糖类前驱体与层状碳化物性能的构效关系，证实溶胶-凝胶法可替代传统高危工艺。虽然材料循环稳定性仍需优化（Mo₂C容量保持率不足50%），但其环保特性与规模化潜力突出。特别是V₆C_5-xN_x展现的稳定锂化能力，为开发高安全性储能器件提供新选择。该成果不仅推动MXenes产业化进程，更为其他层状材料（如MBenes）的绿色合成提供范式借鉴。