Ti3 C2 Tx MXene空心微球缺陷钝化与转化策略实现高效钠离子存储及电化学性能提升

本研究针对MXene基电极在水溶液中稳定性差的问题，通过构建3D Ti3 C2 Tx MXene空心微球（MHM）并采用V/N/S多原子协同掺杂策略，首次系统揭示了缺陷钝化与转化的原子级机制。通过XPS和DFT分析证实，V原子选择性钝化Ti空位缺陷，N/S原子取代表面氧化性基团，显著提升电极的循环稳定性（215次循环后容量保持率94.6%）和钠离子捕获效率（141.77 mg g?1 ），为设计高性能MXene基电极提供了新思路。

　　

论文解读：

二维材料MXene因其优异的导电性和表面化学特性，在电化学储能和水处理领域展现出巨大潜力。然而，Ti₃
C₂
T_x
MXene在实际应用中面临严峻挑战——边缘和表面缺陷导致的水溶液环境氧化问题，严重制约其商业化进程。传统抗氧化策略如惰性气氛保护或有机溶剂使用仅能延缓而无法根治氧化，且往往以牺牲导电性或活性位点为代价。更棘手的是，MXene制备过程中产生的Ti空位缺陷会成为离子捕获的"陷阱"，导致钠离子（Na⁺
）脱嵌不可逆。如何在不引入绝缘包覆层的前提下，从原子尺度调控缺陷环境，成为突破MXene稳定性瓶颈的关键科学问题。

针对这一挑战，天津大学的研究团队在《Journal of Advanced Research》发表创新成果，提出"缺陷钝化-转化"协同策略。通过构建3D Ti₃
C₂
T_x
MXene空心微球（MHM）并引入钒（V）、氮（N）、硫（S）多元素共掺杂，首次实现缺陷环境的精准调控。研究揭示：N/S原子可取代表面不稳定的-F/-OH基团并封端氧化性边缘，而V原子则选择性占据Ti空位缺陷，形成稳定的V-C/O键。这种原子级修饰不仅将氧化敏感缺陷转化为稳定的异质原子掺杂缺陷，还通过电子结构调控创造出新的活性位点。最终获得的N,S,V-MHM电极在电容去离子（CDI）应用中展现出141.77 mg g^?1
的Na⁺
吸附容量和2.36 mg g^?1
min^?1
的吸附速率，215次循环后容量保持率高达94.6%，远超现有MXene基材料。

关键技术方法包括：1）模板法构建3D MXene空心微球结构；2）多步热处理实现N/S/V原子梯度掺杂；3）结合X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT）解析掺杂机制；4）原位电化学石英晶体微天平（EQCM-D）追踪离子吸附动力学；5）系统评估材料在Na⁺
和Cu²⁺
去除中的应用性能。

【结果与讨论】

1. 材料设计与表征：
   通过PS模板法成功制备具有14.57 ?层间距的3D空心微球，HAADF-STEM直接观测到V原子在Ti空位的优先占据（形成能-9.25 eV）。XPS证实N/S掺杂使表面O含量降低58.3%，而Raman显示特征F峰（125 cm^?1
   ）完全消失，验证了表面基团的有效替代。

2. 缺陷转化机制：
   DFT计算表明，N/S原子通过负形成能（-1.04 eV）取代边缘C原子和-F基团，而V原子在N/S修饰的MXene表面结合能比纯MXene低0.3 eV。电荷密度差分显示电子在V原子周围耗散并向N/S原子聚集，形成新的电子传输通道。

3. 电化学性能：
   N,S,V-MHM的b值达0.98，接近理想双电层电容行为。Trasatti分析显示其外部表面电容贡献达71.9%，对应94.64 F g^?1
   的快速电荷存储能力。在1.2 V电压下，电荷效率（CE）保持在80%以上，能耗仅0.35 kWh kg^?1
   _NaCl
   。

4. 实际应用表现：
   EQCM-D揭示Na⁺
   以Na⁺
   ·0.64H₂
   O形式部分去溶剂化嵌入，质量变化比理论值高50.8%。该材料对Cu²⁺
   的吸附容量达338.2 mg g^?1
   ，且10次循环无电沉积现象。

【结论】
该研究开创性地提出"缺陷转化"新范式，将传统认知中有害的氧化敏感缺陷转化为有益的异质原子掺杂位点。3D空心结构设计协同原子级缺陷工程，不仅解决了MXene在水环境中的本征不稳定难题，还通过电子结构调控创造出超越本征性能的活性位点。这项工作为二维材料在能源与环境领域的应用提供了普适性策略，其揭示的"缺陷-性能"构效关系对新型功能材料设计具有重要指导意义。特别是EQCM-D证实的部分去溶剂化离子嵌入机制，为理解MXene基材料的界面电化学行为提供了新视角。