广西大学徐帅凯课题组Small：MXene诱导赝电容转变！0D/2D异质结实现超快钠存储

第一作者：徐盼吉，黎裕冰

通讯作者：徐帅凯*，汪远昊*，杨亚*

单位：广西大学，北京纳米能源与系统研究所，北京科技大学

钠离子电容器（SICs）结合了电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度，是大规模储能的理想选择。然而，由于钠离子半径较大，导致反应动力学缓慢，且电池型负极材料（如金属硫化物）在循环过程中面临严重的体积膨胀和低电导率问题。这些缺陷使得电池型材料的电荷存储主要受扩散控制，难以在高倍率下有效运行，从而限制了SICs整体能量和功率密度的同步提升。尽管将金属硫化物与高导电性的MXene复合是解决上述问题的有效策略，但目前的复合材料多为简单的2D-2D堆叠，界面接触有限，且未能根本改变金属硫化物的扩散控制储能机制。因此，如何通过合理的电极设计，利用界面电子耦合诱导电池型材料发生“赝电容转变”，是实现高倍率、长寿命钠离子存储的关键挑战。

近日，广西大学徐帅凯副教授与北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员、北京科技大学汪远昊教授合作，在国际知名期刊 Small 上发表题为“MXene-Induced Pseudocapacitive Transformation in Battery-Type Metal Sulfide: A Paradigm for High-Rate Sodium Storage”的研究文章。该工作提出了一种通用的“MXene诱导电容增强”策略。通过原位热自组装构建了多孔0D/2D SnS₂量子点/MXene异质结。研究揭示，强烈的界面电子耦合产生的内建电场与量子限域效应协同作用，成功将SnS₂的储能机制从扩散主导转变为赝电容主导，从而显著打破了动力学限制，实现了优异的倍率性能和长循环稳定性

为了最大化活性表面积并缓冲体积膨胀，采用简便的原位热自组装策略，利用硫作为牺牲造孔剂，成功合成了具有分级孔结构的0D/2D p-SnS₂/Ti₃C₂Tₓ异质结。表征结果显示，超小尺寸的SnS₂量子点（1-5 nm）均匀分散并被牢固地限制在MXene扩大的层间（层间距~1.50 nm）。这种独特的纳米限域结构不仅防止了量子点的团聚和脱落，还为电解液的渗透提供了丰富的通道，极大地缩短了离子传输路径，为高倍率性能奠定了结构基础。

本研究的核心创新在于利用界面工程实现了储能机制的根本转变，并由此带来了卓越的电化学性能。得益于结构优势，p-SnS₂/Ti₃C₂Tx负极在半电池测试中表现惊人。即使在 7 A g^-1 的超高电流密度下，仍能保持 155 mAh g^-1 的比容量。在 1 A g^-1 大电流下循环 3000 次后，容量保持率高达 88.8%，远超纯 SnS₂材料。动力学分析表明，该电极的储能行为发生了从扩散控制向表面控制的赝电容行为的转变（2 mV s^-1 下电容贡献率达 94%）。非原位 XPS 和 XRD 证实了 SnS₂在 MXene 限域下经历了高度可逆的多步转化反应，且 Ti-O-Sn 界面键在循环中保持稳定。DFT 计算深入揭示了微观起源。MXene 与 SnS₂之间形成的 Ti-O-Sn 化学键充当“分子导线”，导致界面电荷重新分布并形成内建电场。这种界面耦合显著增加了费米能级处的态密度，并大幅降低了 Na⁺ 的吸附能和扩散能垒，从而在原子尺度上解释了“赝电容转变”的原因。

得益于上述结构和动力学优势，将 p-SnS₂/Ti₃C₂Tx负极与活性炭（AC）正极组装成钠离子电容器（SIC）。该器件展现出优异的能量-功率特性：在 113.8 W kg^-1 的功率密度下提供了 78.9 Wh kg^-1 的能量密度；即便在 ~4.9 kW kg^-1 的高功率输出下，能量密度仍保持在 57.9 Wh kg^-1。此外，全电池在 1 A g^-1 下循环 3500 次后容量保持率超过 90%，证明了该策略在构建高功率、长寿命储能器件方面的巨大潜力。

当前对于电池型材料（如金属硫化物、氧化物等）在超级电容器或混合电容器中的应用，主要瓶颈仍在于其缓慢的体相扩散动力学。本工作提出的“MXene诱导赝电容转变”策略，即通过量子限域与界面电子耦合（构建内建电场）的双重作用，从根本上重塑了电荷存储机制，使其由“电池行为”向“电容行为”转变。这一范式不仅限于SnS₂，更可推广至其他具有高理论容量但动力学受限的转化型或合金型负极材料中。未来的研究可进一步探索不同表面官能团的MXene对界面电子结构的调控规律，以及这种0D/2D限域结构在全固态电池或柔性可穿戴电子器件中的应用潜力。通过深入理解界面化学键对离子吸附和电子传输的调控机制，有望开发出下一代兼具高能量、高功率和长寿命的储能系统，加速钠离子电容器的商业化进程。

MXene-Induced Pseudocapacitive Transformation in Battery-Type Metal Sulfide: A Paradigm for High-Rate Sodium Storage