0D/2D Fe2O3@少层 Ti3C2 复合材料通过抑制重新堆叠和加速界面动力学实现高性能钠离子存储

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：0D/2D Fe 2O 3@few-layer Ti 3C 2 composite with suppressed restacking and accelerated interfacial kinetics for high-performance sodium-ion storage

　　

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  合理设计了一种0D/2D Fe₂O₃@少层Ti₃C₂复合材料，以增强钠离子储存性能。
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  Fe₂O₃纳米点有效抑制了MXene的重堆叠，并维持了开放的离子传输通道。
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  强界面耦合加速了Na⁺传输动力学和电荷转移。
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  Fe₂O₃@少层Ti₃C₂在300次循环后展现出比纯Fe₂O₃更高的容量（48 vs. 420 mAh g^?1）。

引言

全球碳中和政策的实施正推动低碳能源与交通系统的转型。钠离子电池（SIBs）得到了快速发展，有望在某些应用中作为锂离子电池的补充或替代品[1], [2], [3], [4], [5]。然而，由于钠离子的质量和半径均大于锂离子，导致钠离子电池的能量密度较低且电化学动力学缓慢，严重阻碍了其发展。因此，寻找具有优异结构相容性、高容量和高稳定性的材料对于钠离子电池储能至关重要。MXene是一种新型二维过渡金属碳化物，具有高电子电导率、优异的结构柔韧性和大比表面积[6], [7], [8]。这些固有优势使其成为钠离子电池负极的有前途的多功能组分，可同时作为导电网络、体积变化的机械缓冲剂和促进快速离子传输的载体[9], [10], [11], [12]。然而，其实际性能在很大程度上受到一个关键固有问题的限制：相邻纳米片在加工和循环过程中极易发生重堆叠。这种重堆叠显著减少了可及表面积，阻断了离子扩散通道，最终导致钠化动力学缓慢和电化学利用率有限[3], [13], [14]。此外，其表面官能团的亚稳态特性使其在反复循环过程中逐渐氧化，导致比容量持续下降[15]。为克服这些局限性，通过将MXene与过渡金属化合物集成构建杂化架构成为了一种有前途且合理的设计策略。

过渡金属化合物（如氧化物、硫化物、磷化物）因其固有的较大理论电荷储存容量而被广泛探索作为SIBs的潜在负极材料[16], [17], [18]。其电荷储存机理主要涉及转化和合金化反应，可实现可逆的钠嵌入/脱出[13]。特别是，过渡金属氧化物（TMOs）代表了一类引人注目的负极候选材料，因为它们兼具低成本、可观的理论容量、良好的电子传输性能和可接受的循环耐久性[19], [20], [21]。然而，反复的Na⁺吸收和释放导致这些材料产生显著的尺寸变化，产生巨大的机械应力和渐进式结构退化，最终导致容量衰减和循环寿命缩短。为解决这一问题，战略性纳米工程——如构建量子点[7], [22], [23], [24]、核–壳结构[25], [26], [27], [28], [29]或与二维材料复合[30], [31], [32]——已被证明能有效缓解体积膨胀、加速离子扩散并改善界面电荷传输。例如，Yang等人通过减小晶粒尺寸抑制了O3型NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂的相变，将100次循环后的容量保持率从77.4%提高到96.2%[33]。Li等人通过增强阴离子氧化还原反应降低了Ru基层状氧化物的晶格应变，实现了300次循环后84%的容量保持率[34]。Zhao等人将纳米级TMO颗粒嵌入氮掺杂碳纳米纤维中，在0.1 A g^?1下100次循环后获得了284 mAh g^?1的可逆容量[35]。这些结构改性使电极能够在支持快速充放电操作和延长循环耐久性的同时保持较大的可逆容量。将过渡金属氧化物微缩并嵌入二维MXene框架中，可在两种组分之间产生互补优势，缓解各自缺陷的同时增强电极完整性和改善可逆钠储存容量[36], [37]。例如，Fe₂O₃理论上最多可储存1007 mAh g^?1的容量，但其电化学利用率因缓慢的电子传输和反复循环过程中显著的尺寸变化而受到严重限制[38], [39], [40]。

在本研究中，将Fe₂O₃纳米颗粒与少层Ti₃C₂集成构建了0D/2D复合材料。这一设计不仅有效抑制了MXene层的重堆叠，还补偿了MXene相对有限的容量[16], [38], [41]。反过来，MXene的高电子电导率和机械柔韧性缓解了Fe₂O₃的固有缺陷，实现了稳定且高容量的电极体系[42], [43], [44], [45]。此外，还对这种复合材料增强钠离子电池容量和循环稳定性的内在机制进行了系统研究。

章节摘要

少层Ti₃C₂ MXene的合成

Ti₃AlC₂粉末（纯度>98%）由中科创新科技有限公司（中国长春）提供。多层Ti₃C₂通过蚀刻Ti₃AlC₂材料制备。蚀刻液在聚四氟乙烯（PTFE）烧杯中配制，方法是将1 g氟化锂（LiF，>99.99%，阿拉丁试剂）与25 mL盐酸（HCl，9 mol L^?1，阿拉丁试剂）在500 rpm下搅拌30 min。选择500 rpm的适中搅拌速度是为了确保LiF充分溶解和均匀混合的

结果与讨论

Fe₂O₃@少层Ti₃C₂纳米复合材料的制备过程如图1所示。首先，通过用HCl和LiF化学蚀刻MXene前驱体Ti₃AlC₂并经超声剥离，获得少层Ti₃C₂纳米片。随后，通过水热反应结合管式炉煅烧，将Fe₂O₃纳米颗粒均匀锚定在少层Ti₃C₂纳米片上，得到最终复合材料。与未蚀刻的Ti₃AlC₂（图S1d）和典型的

结论

综上所述，通过水热–煅烧方法成功制备了Fe₂O₃纳米颗粒改性的MXene复合材料（Fe₂O₃@少层Ti₃C₂），实现了协同效应，发挥了各组分材料的互补优势。这种结构产生的协同效应不仅确保了Fe₂O₃的快速氧化还原反应动力学，还赋予材料在钠离子嵌入/脱出过程中优异的结构耐久性。该结构设计策略

CRediT作者贡献声明

胡润烨：撰写——初稿，可视化，软件，方法学，正式分析，数据整理。倪国旭：验证，监督，概念化。杨宜军：撰写——审阅与编辑，监督。崔秋红：资源，项目管理，资金获取。严俊：撰写——审阅与编辑，验证，监督，项目管理，调查研究。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

胡润烨|倪国旭|杨宜军|崔秋红|严俊