界面耦合策略构建V2CTx@VS4异质结构用于高性能镁离子电池

为解决镁电池（RMBs）中Mg2+脱嵌动力学缓慢和结构稳定性差的问题，研究人员通过一步水热法设计出V2CTx@VS4异质结构。该结构通过界面V-S键增强稳定性，实现226 mAh g?1的高容量和1000次循环后89%的容量保持率，为高稳定性镁电池阴极材料开发提供新思路。

　　

随着全球对高安全、低成本储能需求的增长，可充镁电池（RMBs）因镁资源丰富、理论体积能量密度高（3833 mAh cm^?3）等优势成为研究热点。然而，Mg²⁺的高极化效应导致其在正极材料中扩散动力学缓慢，且传统阴极如Chevrel相Mo₆S₈容量有限（~120 mAh g^?1），转换型材料（如V₂O₅）又面临循环稳定性差的问题。如何协同提升容量与稳定性成为关键挑战。

针对这一难题，国内研究人员在《Journal of Energy Chemistry》发表研究，提出通过界面工程构建V₂CT_x MXene与VS₄的异质结构。MXene（二维过渡金属碳化物）的高导电性和VS₄的高容量特性被巧妙结合：VS₄在V₂CT_x表面原位生长形成化学键合，既抑制了MXene层间堆叠，又阻止了VS₄颗粒团聚。实验证实，该结构通过V-S键实现电荷重分布，将Mg²⁺扩散能垒从1.78 eV降至0.42 eV，最终使材料在500 mA g^?1下循环1000次后仍保持89%容量。

研究采用三大关键技术：1）LiF/HCl选择性蚀刻法制备多层V₂C MXene（m-V₂C）；2）DMSO插层获得完全剥离的少层V₂C（f-V₂C）；3）160℃水热反应实现VS₄在MXene表面的可控生长。通过对比m-V₂C@VS₄与f-V₂C@VS₄-2（优化比例样品），揭示了结构-性能关系。

结果与讨论

1. 材料表征：XRD显示异质结构中VS₄的（110）晶面间距扩大至0.56 nm，利于Mg²⁺传输；XPS证实界面V³⁺-S^2?键的存在，降低电荷转移电阻（R_ct从98降至31 Ω）。
2. 电化学性能：f-V₂C@VS₄-2在100 mA g^?1下容量达226 mAh g^?1，是纯VS₄的1.8倍；原位Raman证明充放电过程中V-S键保持稳定。
3. 机理分析：非原位XRD发现Mg²⁺存储包含双机制：VS₄的转化反应（生成MgS）和V₂C的插层反应，协同贡献容量。

结论与意义
该研究通过界面耦合策略实现了MXene与硫化物在原子尺度的协同优化，不仅为镁电池正极材料设计提供了新范式（"异质结构+化学键合"），其研究方法还可拓展至其他多价离子（如Zn²⁺、Al³⁺）储能体系。论文第一作者Xinyu Zhang与通讯作者Fanfan Liu、Dan Zhou强调，这种一步水热法具有工艺简便、易于放大的优势，对推动镁电池商业化具有重要意义。