英文原题：Unveiling local Atomic Ordering of NbₐV2-aCTₓ MXenes for Lithium-Ion Storage
通讯作者：宋礼，中国科学技术大学国家同步辐射实验室
作者：史佳林，魏世强，王一琇，张鹏军，曹宇杨，郭鑫，张子峻，许翰宸，王昌达，陈双明，宋礼
背景介绍
二维（2D）过渡金属碳化物或氮化物（MXene）因其独特的层状结构、表面化学特性以及成分多样性，被认为是锂离子电池（LIBs）和电容器的潜在电极材料。近年来，通过在M位引入额外的金属以形成双过渡金属（DTM）MXene，显著提升了其电化学储能性能。这种提升通常归因于双金属协同效应带来的电导率增强以及金属电子态的改变,缺乏对材料电子结构的详细解析。
文章亮点
中国科学技术大学宋礼教授团队在JPCC上发表利用X射线吸收精细结构谱揭示NbαV2-αCTx MXene中局域原子配位有序性的研究。文章报道了一类新型的铌-钒双过渡金属碳化物（NbαV2-αCTx MXene）。通过调整Nb:V的摩尔比，从富铌到等比例混合（Nb:V:C比为1.7:0.3:1至1:1:1），团队成功制备了三种不同比例的双过渡金属（DTM）MXene用于探究Nb:V摩尔比对形成稳定NbαV2-αCTx 体系的影响。通过X射线吸收精细结构（XAFS）研究了三种比例NbαV2-αCTx 的配位环境和局域电子结构。傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）拟合结果表明，与Nb1.7V0.3CTx和NbVCTx相比，Nb1.4V0.6CTx中的Nb/V配位数显著增加，反映出局域原子有序性的提升。电化学性能测试进一步揭示了Nb/V配位数的增加对材料性能的作用效果。Nb1.4V0.6CTx电极在100至5000 mA g-1的倍率范围内表现出较好的倍率性能。此外，Nb1.4V0.6CTx电极在1000次循环中表现出容量的稳定增长，显示出优异的循环稳定性。
图1. (a) NbαV2-αGaC及标准样品的铌K边XANES光谱；(b) NbαV2-αGaC的铌K边傅里叶变换EXAFS光谱；(c) NbαV2-αCTx及标准样品的铌K边XANES光谱；(d) NbαV2-αCTx的铌K边傅里叶变换EXAFS光谱。
此外，通过原位同步辐射X射线衍射（SRXRD）研究了Nb1.4V0.6CTx在初始放电-充电过程中的结构演变。结果表明， Nb1.4V0.6CTx (002)衍射峰在放电过程中向低角度偏移，并最终消失，这表明Nb1.4V0.6CTx发生了电化学驱动由晶态到非晶态的转变。
图2. (a) NbαV2-αCTx在0.1至5.0 A g⁻¹不同电流密度下的性能表现；(b) Nb1.4V0.6CTx在倍率性能测试后的1 A g⁻¹电流密度下的长循环性能及库伦效率；(c-d)Nb1.4V0.6CTx在首次放电-充电过程中采集的原位XRD数据(同步辐射X射线衍射角)；(e) Nb1.4V0.6CTx首次放电和充电后的XRD数据。
总结与展望
综上所述，本研究开发了一种新型双过渡金属碳化物MXene材料，并系统研究了其在锂离子储存中的性能与结构关系。通过X射线吸收精细结构（XAFS），揭示了 NbαV2-αCTx的局域原子配位环境与电子结构的变化。研究结果表明，Nb1.4V0.6CTx中Nb/V配位数显著增加，局域原子有序性的显著提升，表现出优异的电化学性能。该研究成果为理解双过渡金属MXene材料的优异性能来源及其调控机制提供了新的视角，并为优化双过渡金属MXene材料的设计提供了可靠的实验依据。
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J. Phys. Chem. C 2024, ASAP
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c05886
Published December 3, 2024
© 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Joan-Emma Shea
University of California Santa Barbara
Deputy Editor
Greg V. Hartland
University of Notre Dame
The Journal of Physical Chemistry C 发表关于纳米、低维和块状材料物理化学的实验、理论和计算研究；界面的化学转化；以及能源转换和储存。
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