郑州大学刘清朝教授CEJ观点：通过Ti 3d轨道工程实现三原子桥联中心激活MXene惰性电子以增强Li-O2电池电催化性能

稀土元素掺杂诱导的过渡金属d轨道重构，已成为克服锂氧(Li-O₂)电池双功能催化活性瓶颈的关键机制。本研究通过实施铈掺杂缺陷工程策略，在MXene表面构建了[Ce-C-Ti]三原子桥联活性中心，并系统阐明了基于MXene的催化剂中电子结构→沉积形貌→电化学性能的跨尺度调控机制。结合理论计算与实验表征表明，界面电荷梯度场实现了对Li2O₂外延生长取向的定向调控，从而诱导形成分级多孔结构，并协同优化了氧物种的吸附/脱附动力学。[Ce-C-Ti]键合打破了惰性电子链并引发电子重构效应，通过解耦O-O键轨道耦合强度显著降低了反应能垒，最终实现了氧还原/析出反应（ORR/OER）活性的自洽性增强。本工作不仅确认了稀土元素掺杂在调控过渡金属d轨道电子占据方面的独特优势，而且阐明了界面电子-晶格协同作用在调控氧电极反应路径中的关键机理。

近日，来自郑州大学的刘清朝教授课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Three-atom bridged centers activate inert electrons in MXene via Ti 3d orbital engineering to enhance electrocatalysis in lithium-oxygen batteries”的研究文章。该文章提出通过铈掺杂构建 [Ce-C-Ti] 三原子桥连中心，经 Ti 3d 轨道工程激活惰性电子，调控电子结构与 Li₂O₂生长，优化催化动力学，提升Li-O₂电池性能。此工作为高效催化剂设计提供范式，助力金属空气电池发展。

在能源转型背景下，锂氧（Li-O₂）电池因高比能成为重要储能器件，但双功能催化活性不足是关键瓶颈。MXene 作为二维过渡金属化合物，虽具有良好的 Redox 特性和表面活性，但其 Ti₃C₂Tx中 Ti 3d 轨道的非理想电子填充状态（t_2g 轨道占有率低、eg轨道能级偏高）限制了催化活性。稀土元素掺杂可通过 f-d 轨道杂化等调控过渡金属 d 轨道，为解决该问题提供了思路。

创新性设计了铈（Ce）掺杂缺陷工程的 Ti₃C₂T_x双功能催化剂。通过一步水热法将 Ce 物种精准锚定在 Ti 空位，形成 [Ce-C-Ti] 三原子桥连结构。制备过程包括 Ti₃C₂T_x的原位刻蚀、Ce (NO₃)₃的引入及水热反应（150℃，12h）。采用 DFT 计算、XPS、XAS、HR-TEM、XRD 等多种表征手段，系统分析材料的结构与电子特性。

[Ce-C-Ti] 桥连键激活惰性电子，引发电子重构，调控 Ti 3d 轨道占有率使其更接近费米能级。Ce 与 Ti 的电负性差异驱动电荷从 Ce 向 Ti 定向转移，稳定低价 Ti 物种并促进氧空位形成。界面电荷梯度场定向控制 Li₂O₂外延生长，形成分级多孔结构，同时优化氧物种吸附/脱附动力学，通过解耦 O-O 键轨道耦合强度降低反应能垒。

基于 Ce-Ti₃C₂T_x的锂-氧电池表现出优异性能，循环稳定性超过 200次，放电容量达 16241.0 mAh g^-1。DFT 计算证实其降低了 ORR/OER 过电势，优化了 LiO₂中间体吸附能。[Ce-C-Ti] 结构通过轨道杂化提升 Ti 3d 能带中心，协同优化电子传输与晶格氧动力学，为过渡金属空气电池催化剂设计提供了电子结构层面的理论框架。