代尔夫特理工大学王雪杭课题组， ESM: 乙腈共溶剂“重塑溶剂化”，使MXene储钠机制可调并实现倍率容量双提升

第一作者：陈超凡

通讯作者：王雪杭

单位：代尔夫特理工大学

MXene在酸性/有机电解液中可通过快速表面氧化还原反应实现高电容与高倍率，但中性水系电解液虽更安全温和，却常因金属离子的强水合作用（通常4–6个水分子配位）导致去溶剂化困难，离子易携水共嵌入、削弱离子与表面端基的直接相互作用，从而抑制电荷转移并使储能更偏电双层行为，从而限制其容量。在既要保持离子传输、又要调控去溶剂化能垒与嵌入路径的前提下，如何以更“温和且可设计”的方式重构溶剂化结构，是提升中性水系MXene性能的关键。

近日，来自代尔夫特理工大学的王雪杭助理教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Solvation structure engineering with co-solvents enables tunable charge storage mechanisms in MXenes”的文章。本文以Ti₃C₂T_x MXene为模型电极，在2 M NaClO₄水系电解液中引入乙腈（ACN）作为共溶剂，提出“溶剂化结构工程（Solvation Structure Engineering）”的电解液设计思路：通过调控Na⁺-溶剂相互作用，改变Na⁺去溶剂化难易与嵌入路径，从而实现电荷存储机制的可调性。研究发现：加入ACN可在相对更正的电位区间激活一个额外的高电位嵌入步骤（S1/S1’），使整体电容提升约30%。更关键的是，随着ACN比例增加，该新增过程可由非（或弱）法拉第特征逐步转变为赝电容过程（原位UV-vis予以佐证）。并且，在75 H₂O:25 ACN中，Ti3C2表现出最优的容量-倍率性能：除电容提升外，在1 V/s的扫速下仍保持72%的电容保持率（纯水体系为62%）。

在纯水系 2 M NaClO₄电解液中，Ti₃C₂T_x的电化学响应以电容型特征为主；引入乙腈（ACN）后，除常规较低电位过程（S2）外，在更正电位区间出现新增过程（S1/S1’），从而引入额外可逆储钠贡献并提升总体电容。

新增过程（S1/S1’）并非单一固定机制，而随ACN体积分数改变呈现可调演化：在低ACN（如 75 H₂O:25 ACN）条件下，该过程更符合溶剂化 Na⁺（以 Na⁺– H₂O络合为主）参与的快速嵌入/脱嵌，整体表现为以电容型贡献为主、法拉第电荷转移占比较低；当 ACN ≥50% 时，Na⁺– H₂O相互作用进一步削弱并促进去溶剂化/配位重构，新增过程转而呈现更显著的赝电容/表面氧化还原特征（原位 UV–vis 佐证）。

Solvation structure engineering with co-solvents enables tunable charge storage mechanisms in MXenes

王雪杭博士于2020年加入代尔夫特理工大学，现任应用科学学院电化学能源存储组（RST-SEE）助理教授。她主要从事二维 MXene 与导电聚合物在电容器和电池等电化学能源存储器件中的应用研究，并致力于揭示相关的储能机理（更多信息可访问 www.xwang.nl）。自2015年以来，王雪杭博士已发表40余篇同行评议学术论文，H指数为29。其研究成果获得多项国内外个人及团队奖项与学术评价认可，入选全球前 2% 科学家榜单（Stanford list），以及 DOE EFRC Team Science Award、Cotswold Postdoctoral Fellowship、ARC Discovery Early Career Researcher Award 和 RSC Horizon Prize。

论文第一作者为代尔夫特理工大学的博士生陈超凡。