氧桥接Sb2Se3-MXene异质结构界面促进钠离子赝电容存储的创新研究

针对Sb2Se3电极在钠离子存储中的结构不稳定性问题，研究人员通过构建氧桥接的1D/2D Sb2Se3/Ti3C2Tx MXene异质结构，实现了强界面电子耦合和Na+扩散势垒降低（~0.4 eV）。该电极在50 mA g-1下展现近600 mAh g-1的可逆容量，600次循环后仍保持220 mAh g-1，为钠离子电池电极设计提供了新思路。

　　

随着可再生能源技术的快速发展，高效储能系统成为实现能源可持续利用的关键环节。钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、成本低廉且电化学性质与锂相似，被视为锂离子电池的理想替代品。然而，钠离子较大的离子半径导致其在电极材料中扩散动力学缓慢，且充放电过程中易引发严重的体积变化，制约了电极材料的循环稳定性。

Sb₂Se₃（三硒化二锑）作为一种兼具转化和合金化/去合金化机制的电极材料，具有较高的理论比容量和独特的一维纳米结构优势，但其在钠离子嵌入/脱出过程中面临巨大的体积膨胀（约390%），导致电极结构粉化和容量快速衰减。传统解决策略通常依赖碳材料或聚合物包覆改善导电性和机械稳定性，但界面结合力弱和离子传输效率低的问题仍未根本解决。

二维MXene材料（如Ti₃C₂T_x）因其高导电性、可调层间距和丰富的表面官能团（如–O、–OH）成为理想的电极载体。然而，MXene易氧化和层间堆叠的问题限制了其实际应用。如何通过合理的界面设计实现Sb₂Se₃与MXene的强耦合，同时提升钠离子存储动力学和结构稳定性，成为该领域的研究难点。

本研究通过构建氧桥接（O-bridge）的1D/2D Sb₂Se₃/Ti₃C₂T_x MXene异质结构，实现了界面Sb/Se–O–Ti化学键的定向形成，显著增强了界面电子转移效率并降低了钠离子扩散势垒。该工作为高性能钠离子电池电极设计提供了新思路，相关成果发表于《Nano Materials Science》。

研究团队通过水热法合成了一维Sb₂Se₃纳米棒，并通过氢氟酸蚀刻和液相剥离制备了二维Ti₃C₂T_x MXene纳米片。通过真空过滤和低温退火处理，实现了异质结构的界面氧桥接键合。采用SEM、TEM、XPS、NEXAFS等技术对材料形貌和化学状态进行表征，并通过电化学测试和理论计算（密度泛函理论）评估其钠离子存储性能和界面机制。

合成与形貌表征

研究通过水热法成功合成了长度超过20 μm的一维Sb₂Se₃纳米棒，高分辨TEM显示其(001)晶面间距为0.39 nm。二维Ti₃C₂T_x MXene的SAED图谱和元素分布证实了O（11.0 at%）和F（7.5 at%）终端的存在，层间距为1.049 nm。异质结构薄膜的SEM图像显示，Sb₂Se₃纳米棒的引入有效抑制了MXene的重新堆叠，增加了表面粗糙度和离子吸附位点。

界面化学状态分析

XPS和NEXAFS结果表明，异质结构中Sb 3d和Se 3d的结合能向低能方向偏移，证实了Sb–O–Ti和Se–O–Ti键的形成。Ti L-edge光谱中t_2g和e_g峰强度的变化表明钛的配位环境发生改变，O K-edge中吸附氧物种的消失进一步验证了界面Ti–O–Sb/Se键的生成。

理论计算验证

电荷密度差分显示，氧桥接诱导电子从Sb₂Se₃向MXene转移（转移量1.01 e），而无氧桥接时电子转移方向相反（0.24 e）。态密度（DOS）分析表明异质结构呈现金属导体特性，显著提升了界面电子传导效率。钠离子扩散势垒计算表明，沿异质界面路径（P2）的势垒仅为0.4 eV，远低于纯Sb₂Se₃表面（0.12 eV吸附能条件下）。

电化学性能评估

半电池测试显示，异质结构电极在50 mA g^?1下首次放电容量达850 mAh g^?1，可逆容量为584 mAh g^?1（初始库仑效率67%）。在200 mA g^?1下循环600次后容量保持率为220 mAh g^?1，衰减率仅10%。倍率性能测试表明，其电容贡献率从0.1 mV s^?1的31.7%提升至0.9 mV s^?1的67.3%，证实赝电容主导的存储机制。

界面稳定性与机制分析

循环后电极的XPS和XRD分析发现Na_xSe、Na_xSb₅O₈和Na_xSb等产物的形成，表明钠离子与异质界面发生了活性反应。纳米压痕测试显示异质结构电极的还原模量（0.8 GPa）高于纯MXene电极（0.5 GPa），证实其机械稳定性提升。

本研究通过界面氧桥接设计成功构建了1D/2D Sb₂Se₃/Ti₃C₂T_x MXene异质结构，实现了强电子耦合和低钠离子扩散势垒（0.4 eV）。该电极表现出高可逆容量（600 mAh g^?1）和优异循环稳定性（600次后容量保持220 mAh g^?1），赝电容贡献率高达67.3%。理论计算与实验验证共同表明，氧桥接键合不仅增强了界面稳定性，还优化了钠离子吸附行为（吸附能?1.33 eV）。该工作为解决二维材料氧化问题和钠离子电池电极设计提供了新策略，对推动高性能储能器件发展具有重要意义。