Zr2CSSe Janus MXene作为金属（Na、K、Mg、Ca）离子电池的电极材料：一项密度泛函理论（DFT）研究

《Surfaces and Interfaces》：Zr 2CSSe Janus MXene as electrode materials for metal (Na, K, Mg, Ca) ion batteries: A DFT study

Zr?CSSe MXene单层作为新型Janus结构电极材料，在钠、镁、钙离子电池中展现出高理论容量（526-1052 mAh/g）和低扩散势垒（0.114-0.149 eV），其不对称表面诱导内置电场显著提升离子传输效率，为多价金属离子电池研发提供新思路。

　　这项研究聚焦于一种名为Janus Zr?CSSe的二维过渡金属碳化物材料，该材料作为多价离子电池的新型阳极材料展现出显著的优势。随着全球对可持续能源的迫切需求，传统锂离子电池虽然广泛应用，但其理论比容量较低，且锂元素在自然界中相对稀缺，同时具有一定的毒性，这限制了其长期发展。因此，科学家们正在积极寻找替代方案，例如钠离子、钾离子、镁离子和钙离子电池，这些电池使用更为丰富的元素，且对环境的影响较小。开发具有高能量密度和存储容量的新活性材料，对于推动下一代储能技术至关重要。

在这一背景下，二维材料因其独特的结构特性，成为电极材料的重要研究方向。这类材料具有较大的比表面积，为离子的存储提供了更多的活性位点，从而提升了电极的容量。MXenes作为一类新型的二维材料，通过从MAX相中选择性蚀刻A层而合成，具有高度可调的电化学性能，特别是通过其表面功能化可以显著改变其性能。在众多MXene材料中，硫（S）功能化的MXenes相比氧（O）功能化的版本展现出更低的扩散势垒，从而实现了更优异的电化学性能。因此，理解如何通过功能化影响MXenes的性能成为当前研究的重要课题。

Janus材料因其不对称结构而备受关注，这种结构导致了材料在物理和化学性质上的显著变化。与传统的对称MXenes相比，Janus MXenes在理论上展现出更高的容量和更低的扩散势垒。例如，研究发现Janus TiCSSe在锂离子存储方面具有高达230.45 mAh g?1的理论容量，并且其离子迁移势垒仅为0.191 eV。类似地，Janus MoSSe在锂离子存储方面也表现出776.5 mAh g?1的高容量，其扩散势垒为0.24 eV。这些结果表明，Janus MXenes在电化学性能方面优于传统的对称MXenes。然而，目前大多数研究集中在基于钛（Ti）的Janus MXenes上，而基于其他金属如锆（Zr）的系统则研究较少。

为了解决这一问题，本研究系统地对一种基于锆的Janus MXene——Zr?CSSe进行了分析。通过计算其热力学和动力学稳定性、对多种金属离子（钠、钾、镁、钙）的吸附性能，以及在不同温度下的表现，研究揭示了该材料在多价离子电池中的独特优势。Zr?CSSe的不对称结构能够诱导出内部电场，从而增强离子的传输和扩散效率，同时降低其迁移势垒。这种内部电场的产生与材料表面的不对称性密切相关，为理解如何通过表面结构调控电化学性能提供了新的视角。

研究发现，Zr?CSSe在钠、镁和钙离子电池中表现出显著的高理论容量，分别达到526 mAh g?1、1052 mAh g?1和1052 mAh g?1。同时，其开路电压较低，分别为0.51 V、0.15 V和0.25 V，这表明其在实际应用中具有较高的能量密度和较低的运行电压。对于钾离子电池，Zr?CSSe的扩散势垒仅为0.149 eV和0.114 eV，显示出快速的离子传输能力。这些特性使得Zr?CSSe在多价离子电池中具有广泛的应用前景，相较于现有的阳极材料，如石墨、M?C型MXenes以及其他Janus结构，其在容量和性能方面表现出更大的优势。

通过系统的研究，这项工作不仅揭示了Zr?CSSe作为阳极材料的优异性能，还进一步探讨了其结构不对称性如何影响电化学行为。研究结果表明，Zr?CSSe的金属特性使其具有良好的导电性和高效的电子传输能力，这主要归因于其Zr-d轨道接近费米能级。此外，通过计算其功函数，研究发现该材料的不对称结构能够诱导出内部电场，这在提升离子传输效率和降低扩散势垒方面发挥了关键作用。这种内部电场的存在不仅优化了材料的电化学性能，还为理解多价离子在二维材料表面的相互作用提供了新的理论依据。

这项研究的意义在于，它不仅拓展了对离子-表面相互作用和电荷传输机制的理解，还为设计具有特定电化学功能的下一代材料提供了理论框架。通过对Zr?CSSe等新型Janus MXene材料的结构和性能进行深入分析，研究为推动储能技术的发展提供了新的思路和方法。同时，这项工作也为表面和界面科学领域贡献了重要的研究成果，为未来的材料设计和性能优化奠定了基础。

研究团队通过先进的计算方法，如密度泛函理论（DFT），对Zr?CSSe的结构和性能进行了全面分析。这些计算方法基于Vienna ab initio simulation package（VASP-5.4.4）进行，通过投影增强波伪势和500 eV的平面波截断能量处理电子-离子相互作用。交换-相关泛函则采用广义梯度近似（GGA）和Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）方法进行计算。此外，研究还结合了混合HSE06方法对能带结构进行了分析，以进一步理解材料的电子传输特性。这些计算方法的结合，使得研究能够从多个角度评估Zr?CSSe的性能，从而得出更为准确和全面的结论。

Zr?CSSe的结构分析表明，该材料具有不对称的Janus结构，这种结构能够有效调节其电化学性能。通过构建四种不同的非等效配置，研究团队能够全面评估Zr?CSSe的结构特性，并确定其在多价离子电池中的最佳应用形式。这些配置的筛选方法与用于其他Janus MXenes的常规方法一致，表明Zr?CSSe的结构分析具有普遍适用性。此外，研究还发现，Zr?CSSe的不对称结构不仅能够诱导出内部电场，还能通过调节表面和界面特性，进一步优化其电化学性能。

这项研究的结论表明，Janus Zr?CSSe MXene在多价离子电池中具有重要的应用潜力。其高理论容量、低开路电压、快速的离子扩散能力以及良好的导电性，使其成为一种极具前景的阳极材料。此外，研究还揭示了结构不对称性在调控电化学性能中的关键作用，为未来设计和优化新型阳极材料提供了理论依据和实验指导。通过深入分析Zr?CSSe的结构和性能，这项研究不仅拓展了对离子-表面相互作用的理解，还为推动下一代储能技术的发展做出了重要贡献。

研究团队在本研究中承担了不同的任务，包括原始稿件的撰写、方法的提出、数据的整理和概念的构建。此外，团队成员还参与了论文的审阅和编辑、数据的可视化和验证、软件的开发和监督等。这些分工体现了研究团队在材料科学领域的专业性和协作精神，同时也确保了研究结果的准确性和可靠性。通过这些共同努力，研究团队能够系统地评估Zr?CSSe的性能，并揭示其在多价离子电池中的应用潜力。

在研究过程中，团队还声明没有已知的与本研究相关的竞争性利益或个人关系，这表明研究的客观性和独立性。此外，研究得到了多项基金的支持，包括国家自然科学基金、江西省自然科学基金、成都市创新与技术项目以及四川省高级密码学与系统安全重点实验室的资助。这些资金的投入为研究提供了必要的资源和保障，使得研究能够在较高的水平上进行。

总的来说，这项研究通过系统分析Janus Zr?CSSe MXene的结构和性能，揭示了其在多价离子电池中的独特优势。研究不仅拓展了对离子-表面相互作用和电荷传输机制的理解，还为设计具有特定电化学功能的下一代材料提供了理论框架。通过深入探讨结构不对称性对电化学性能的影响，这项研究为表面和界面科学领域贡献了重要的研究成果，为未来的材料设计和性能优化提供了新的思路和方法。这些发现有望推动多价离子电池技术的发展，为实现更加高效、可持续的能源存储解决方案做出贡献。