山东大学冯金奎教授Nano Letters：无氟熔盐蚀刻法制备氮掺杂MXene负载过渡金属纳米颗粒提升锂硫电池性能

随着现代社会对高能量密度储能设备需求的日益增长，锂硫（Li-S）电池凭借其超高的理论比容量（1675 mAh·g^-1）和比能量（2600 Wh·kg^-1），以及硫资源的低成本和环境友好性，被视为最具潜力的下一代二次电池系统之一。然而，锂硫电池的商业化应用仍面临诸多严峻挑战：(1) 硫及其放电产物的电子导电性差，导致活性物质利用率低；(2) 充放电过程中产生的体积膨胀破坏电极结构稳定性；(3) 尤其是中间产物多硫化锂（LiPSs）易溶于电解液并发生“穿梭效应”，导致活性物质不可逆损失、锂负极腐蚀及电池循环寿命衰减。因此，设计兼具高导电性、强吸附能力及高效催化活性的多功能硫宿主材料，是解决上述问题的关键。

近日，来自山东大学的冯金奎教授团队在国际知名期刊Nano Letters上发表了题为“Rational Design of Ultrafine Co, Fe, Ni, and Cu on Fluorine-Free Nitrogen-Doped MXene via a Molten Salt Etching Strategy for the Adsorption–Barrier–Catalyst Functions of Polysulfides toward High-Energy Lithium–Sulfur Batteries”的研究文章。该研究提出了一种通用的、绿色的无氟熔盐蚀刻策略，成功制备了原位负载过渡金属纳米颗粒（Co, Fe, Ni, Cu）的氮掺杂Ti₃C₂TxMXene。与传统的含氟蚀刻方法不同，该策略利用熔盐中的金属阳离子作为路易斯酸蚀刻MAX相中的A层原子，不仅避免了危险氟化物的使用，还实现了MXene的剥离、氮掺杂及金属纳米颗粒的原位锚定。实验结果表明，该材料能有效阻挡多硫化物的扩散，并通过氮活性位点与金属纳米颗粒的协同作用，显著加速多硫化物的转化动力学，从而提升锂硫电池优异的倍率性能和循环稳定性。

本研究摒弃了传统危险的HF酸或含氟盐刻蚀方法，开发了一种通用的路易斯酸熔盐刻蚀技术。在高温熔盐环境中，利用Co²⁺、Fe²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺等金属离子作为路易斯酸，选择性地刻蚀掉Ti₃AlC₂ MAX相中的Al层。该过程巧妙地利用熔盐中的其它组分作为氮源，在形成层状MXene结构的同时，实现了氮原子掺杂以及金属纳米颗粒（Co, Fe, Ni, Cu）在MXene表面的原位生长。这种合成策略不仅环境友好，而且制备出的Co/N-MX保持了良好的层状导电网络，还提供了丰富的空间和活性位点。

Rational Design of Ultrafine Co, Fe, Ni, and Cu on Fluorine-Free Nitrogen-Doped MXene via a Molten Salt Etching Strategy for the Adsorption–Barrier–Catalyst Functions of Polysulfides toward High-Energy Lithium–Sulfur Batteries

冯金奎教授简介：山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，入选国家级青年人才，山东省杰青，泰山学者青年专家，山东大学材料物理化学研究所副所长。1999-2008本硕博毕业于武汉大学化学与分子科学学院，2008-2012在新加坡国立大学和美国宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作，2012年至今在山东大学材料科学与工程学院工作。主要研究从事高能量二次电池材料研究。共发表SCI 论文200余篇，他引9000余次。担任Nature子刊Scientific Reports编委。Nature Publication Group 旗下刊物Scientific Reports 编委、高起点期刊ChemPhysMate编委、Energy& Environmental Materials、Susmat、Rare Metals、Infomat、Tungsten、工程科学学报青年编委，长期招聘博士后。