广西科学院王仲民/甘伟江/蒋文斌，CEJ:高性能锂离子电池负极用Ti掺杂Fe3O4/C/MXene复合材料的设计与构建

过渡金属氧化物Fe₃O₄因其材料绿色安全，原料来源广，具有较高的可逆比容量等优点而受到广泛关注。然而，Fe₃O₄存在导电性差，且在长时储能过程中易发生体积膨胀等问题，导致其倍率性能和循环稳定性较差。本研究提出一种新策略，通过构建Ti掺杂Fe₃O₄/C/MXene复合材料，有效缓解了Fe₃O₄材料的低导电性和体积膨胀问题。通过实验测试表征，表明Ti掺杂引起的晶格膨胀有助于促进锂离子扩散，同时MXene的引入提升了复合材料的电导率与电子传输，从而显著增强了复合材料的倍率性能和循环稳定性。进一步的理论模拟也证实，该复合结构有利于电荷传输与储存性能的提升。该研究为高性能过渡金属氧化物/MXene复合负极材料的设计提供了新思路。

来自广西科学院的王仲民教授，甘伟江高级工程师和蒋文斌博士后，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Design and Construction of Ti-incorporated Fe3O4/C/MXene Composite with High-Performance Anodes for Lithium-Ion Batteries”的文章。该文章通过引入二维MXene基底，在MXene表面原位生长Ti掺杂的碳包覆Fe₃O₄复合材料，来解决Fe₃O₄自身低导电性和体积膨胀严重的问题，并通过实验和理论计算证明了设计的可行性和优越性。

XRD结果显示，Ti-FOC/MXene、Ti-FOC和FOC均为标准Fe₃O₄结构，无杂相出现。Ti-FOC和Ti-FOC/MXene的衍射峰相比FOC向低角度轻微偏移，表明较大半径的Ti⁴⁺成功掺杂进Fe₃O₄晶格，导致晶格膨胀。Ti-FOC/MXene中出现了MXene（002）晶面的特征峰，证明MXene有效复合。XPS分析显示，Ti-FOC/MXene和Ti-FOC中均含有Ti⁴⁺和Fe^+2/+3的混合价态，Ti-FOC/MXene中还检测到MXene的Ti-C键，说明MXene的引入不仅引入了Ti⁴⁺掺杂，并存在多余MXene作为导电基底。以上结果证实Ti⁴⁺成功掺杂Fe₃O₄并与MXene协同构建形成Ti-FOC/MXene复合材料。

在锂离子半电池中，Ti-FOC/MXene复合材料展现出优异的电化学性能。循环伏安与充放电曲线表明，Ti⁴⁺掺杂降低了锂离子脱嵌电位，提高了反应动力学，即使在高电流密度条件下，Ti-FOC/MXene依然表现出良好的循环性能，证明其结构稳定性强。电化学阻抗谱进一步验证了其较低的电荷传输阻抗和更快的锂离子扩散动力学。性能优异归因于：(i) Ti掺杂扩大晶格间距，有利于锂离子迁移；(ii) MXene提供快速离子扩散通道；(iii) MXene骨架提升电子传导；(iv) 原位碳包覆缓解体积效应，增强结构稳定性。综上，Ti⁴⁺与MXene协同构建显著提升了Ti-FOC/MXene复合材料的反应动力学、电导性与循环寿命。

为评估电容贡献，研究对Ti-FOC/MXene、Ti-FOC和FOC在不同扫描速率下的循环伏安曲线进行分析。Ti-FOC/MXene的b值高于Ti-FOC和FOC，表明其更具表面电容行为。在0.8 mV s⁻1时，其电容性贡献达65%，明显优于其他材料，并随扫描速率提升而增加，说明其具有快速的表面储能特性。GITT测试表明，Ti-FOC/MXene的锂离子扩散系数显著高于Ti-FOC与FOC，反映出其优越的反应动力学。DFT理论计算进一步揭示，Ti- Fe₃O₄/MXene异质结在费米能级附近具有更高态密度，提升了材料的导电性与电子传输效率。电荷密度分布表明，MXene与Ti-Fe₃O₄之间存在显著电荷转移，有助于实现倍率性能的提高。综合实验与理论结果，Ti掺杂和MXene的协同作用显著改善了Ti-FOC/MXene复合材料的电化学性能。

王仲民，博士，二级教授。广西大学、桂林电子科技大学博士生导师。广西科学院桂科铝业产业研究院院长，广西科学院高性能材料研究所所长。主要从事金属结构材料、稀土/有色功能材料、新型能源材料、金属腐蚀与防护、氢能技术等研究工作。近年来，主持国家自然科学基金项目6项，作为骨干成员参加国家自然科学重点基金、军工预研课题4项，主持或参加省部级课题30余项。广西教育厅“新能源材料设计与应用”人才小高地创新团队负责人；广西科技厅“稀土功能材料设计与应用”创新团队负责人；2023年第十批广西优秀专家；2022年第三届广西创新争优奖获得者；2022年获批首届广西军民融合发展专家库成员；2009年获第十届广西青年科技奖；2009年获第三批教育厅“八桂学者”；2008年广西“新世纪十百千人才工程”第二层次人选；获广西科技进步一等奖1项（2007年，排名2）；获广西自然科学奖二等奖2项（2012年，排名3；2017年，排名5）；获广西技术发明三等奖1项（2018，排名1）；获内蒙古化工厅、区科技进步一等和三等奖各1项（2003年，排名3）。近年来撰写相关研究文章200余篇，其中有150余篇被SCI收录；国家重点研发计划“氢能技术”、“稀土新材料”重点专项的评审专家，广西、重庆市、江西省、河北省等省市科技项目、科技奖项的评审专家。

甘伟江，中山大学化学学院无机化学专业，博士研究生，广西科学院高性能材料研究所高级工程师/助理研究员，入选2025年广西青年科技人才托举工程，广西科学院八大学科领域科技战略库专家。主要从事有色金属新材料开发、有色金属（稀土）光电转换材料，新能源电化学储能及转化研究。近年来，主持省部级项目2项，主持市（厅）级项目2项，获得市（厅）级科学技术奖一等奖1项（2024，排名3），以第一作者或者通讯作者身份发表于Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Chemistry of Materials等SCI期刊论文8篇，国内中文核心期刊2篇；授权国家专利8项，其中以第一发明人授权发明专利1项，实用新型专利1项。

蒋文斌，男，博士，广西科学院、华南理工大学博士后，广西科技特派员（2025年）、广西科协青托人才（2025年），主要从事固态储供氢材料的模拟计算与成分开发、低成本稀土材料制备、水解制氢缺陷催化理论研究等，研制出具有高密度高压缩比的45、85 MPa氢压缩材料，并实现产业化应用。在国际期刊Chemical Engineering Journal、Small、Renewable Energy等发表SCI论文20余篇；获授权国家发明专利3项；参与国家重点研发计划2项，省重点研发计划4项。

轻金属和新能源材料创新团队.

团队负责人:王仲民