广西大学徐帅凯课题组 AEM：低磁场“雕刻”2D材料！构筑离子传输“高速公路”

第一作者：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

二维（2D）纳米材料（如MXene、石墨烯等）因其独特的物理化学性质备受关注。然而，在宏观组装过程中，这些材料倾向于因强烈的范德华力发生不可逆的“面-面”重堆叠，形成致密的无序薄膜。这种结构严重限制了活性表面积，并导致质量和电荷传输路径极其曲折，阻碍了其在储能、催化等领域的应用潜力。虽然冰模板法、3D打印等技术已被用于改善孔隙结构，但如何精确控制纳米片的微观取向仍是巨大挑战。磁场取向技术作为一种非接触、可扩展的方法极具前景，但长期以来，在低磁场下实现原子级厚度纳米片的有效取向一直难以突破。本研究指出，主要障碍并非传统认为的热运动，而是分散体系中占主导地位的多体范德华力形成的“动力学陷阱”。

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，在国际知名能源期刊 Advanced Energy Materials 上发表题为“Sculpting 2D Nanosheet Architectures via Predictive Low-Field Magnetic Alignment”的研究文章。该工作开发了一种预测性的低场磁取向策略，克服了范德华力势垒，实现了对二维纳米材料电极结构的精准调控。通过建立通用的参数匹配模型，定量平衡了磁转矩、范德华力及粘滞阻力，成功将组装过程从经验试错转变为理性设计。利用该策略，在低磁场（<50 mT）下构筑了垂直取向、双轴有序的MXene电极，构建了低弯曲度的离子传输“高速公路”。以此制备的MXene电极在超级电容器和钠离子电池中均展现出卓越的倍率性能和循环稳定性。

针对原子级厚度纳米片难以在低磁场下取向的难题，首先通过CTAB改性的Fe₃O₄纳米粒子对MXene进行功能化，赋予其超顺磁性。偏光显微镜（POM）原位测试证实，功能化后的MXene对磁场表现出极高的敏锐度，即便在微弱场强下亦能发生快速、可逆的取向响应。在理论层面，该工作建立了定量的“取向匹配参数模型”，深刻揭示了在溶液分散体系中，多体范德华相互作用是阻碍纳米片取向的主导力量。以此模型为基石，研究绘制了“磁化强度-磁场-取向度”设计图谱，指导实验通过协同调控磁场强度（B）与饱和磁化强度（Ms），成功在极低磁场（<50 mT）下实现了纳米片从水平（0°）到垂直（90°）的任意角度精准定制。

为了进一步提升电极密度和有序度，在静态垂直磁场的基础上，引入了旋转磁场技术。静态磁场虽然能实现垂直取向，但纳米片在面内仍是随机排列的，导致孔隙率较高。而旋转磁场产生的周期性转矩，不仅维持了垂直取向，还驱动纳米片发生面内旋转，消除了随机空隙。由此形成的双轴有序结构，最大化活性物质堆积密度的同时，保留了垂直通道。XRD图谱中（110）晶面峰的显著出现，有力地证明了这种高度有序结构的成功构建。这一策略同样适用于石墨烯等其他2D材料，展现了广泛的普适性。

通过先进的3D X射线显微CT（Micro-CT）重构技术和多物理场有限元模拟（COMSOL），研究直观地可视化了工程化微观结构对离子传输的决定性影响。垂直取向的纳米片构建了连续、互通的垂直通道（离子高速公路），从根本上克服了传统水平堆叠电极中因路径曲折和“死胡同”导致的传输瓶颈。模拟结果显示，在垂直结构中，离子能够迅速、均匀地渗透至电极深处，极大地缩短了扩散路径与时间，为高倍率储能奠定了结构基础。

得益于优化的离子传输动力学，垂直取向MXene电极在多种储能体系中表现出质的飞跃。在超级电容器中，电极展现出极高的倍率性能。即使在10,000 mV s^-1的超高扫速下，仍保持115 F g^-1的比容量。在钠离子电池中，垂直电极在0.05 A g^-1下提供了182.6 mAh g^-1的高可逆容量。即使在5 A g^-1的高电流密度下，仍保留47.9%的容量。此外，在1 A g^-1下循环10,000次后，容量保持在121.3 mAh g^-1，证明了该结构在适应离子嵌入脱出过程中的优异机械稳定性。

本研究提出的预测性低场磁取向策略具有重要的产业化前景。与传统依赖昂贵、空间受限的高强超导磁体（>几特斯拉）不同，该策略仅需极低的磁场（<50 mT），这使得利用廉价的永磁体或简单的电磁线圈即可实现大面积、低能耗的加工，为实现高性能2D材料薄膜的规模化制造铺平了道路。此外，该策略作为一个通用的组装平台，不仅局限于MXene或能源领域，更有望推广至石墨烯、TMDs等其他2D材料，在分子分离膜、定向导热界面材料以及各向异性电子器件等任何对定向传输有严苛要求的领域发挥关键作用。

Sculpting 2D Nanosheet Architectures via Predictive Low-Field Magnetic Alignment