辽宁工业大学吴琼教授、吉林大学张伟教授，ESM研究文章：碳空位缺陷调控策略构筑多层六方孔洞MXene陷阱实现高能量密度钾离子存储

碳空位缺陷调控策略构筑多层六方孔洞MXene陷阱实现高能量密度钾离子存储

第一作者：薛艳辉

通讯作者：吴琼，张伟

单位：1. 辽宁工业大学，2. 吉林大学

MXene作为一种二维层状电极材料，在储能领域受到广泛关注，主要得益于其较好的导电性、可调节表面官能团多样性、良好的亲水性和化学稳定性。特别是在水系钾离子超级电容器方面，MXene展现了显著的应用潜力。然而，钾离子较大的离子半径导致其动力学反应较慢，且在充放电过程中，MXene层间的反复脱嵌容易引发结构崩塌，从而导致比容量快速下降，限制了其在水系钾离子超级电容器中的广泛应用。针对这一问题，本研究采用了碳空位缺陷调控策略，成功构建了具有规则层状六方孔洞结构的MXene。这种结构不仅提高了MXene的稳定性，而且在钾离子超级电容器中展现出了优异的存储性能。因此，本研究为MXene在水系钾离子超级电容器中的应用提供了一种新思路。

近日，来自辽宁工业大学的吴琼教授和吉林大学的张伟教授，在国际知名期刊“Energy Storage Materials”上发表题为“Multi-layers hexagonal hole MXene trap constructed by carbon vacancy defect regulation strategy enables high energy density potassium-ions storage”的研究文章。

该文章为了解决由于大尺寸半径的钾离子在层状材料中的反应动力学缓慢，严重限制钾离子混合超级电容器的能量密度这一核心问题，利用碳空位缺陷调控策略被构筑了多层六方孔洞MXene陷阱，在软包混合超级电容器中实现了的高比电容和高能量密度钾离子存储。在原子水平上分析构效关系。利用密度泛函理论， 进行动力学分析，确定了钾离子的最佳吸附位置和吸附量。揭示了多层六方孔MXene 软包超级电容器具有高电导率和高能量密度的内在机理。

图1. 通过六方孔洞MXene陷阱捕获钾离子示意图，灵感来自古代深挖多层陷阱捕捉猛兽的故事。

要点一：MXene前驱体Ti₃AlC₂的碳空位缺陷有序化促成脱落态六方Ti₃AlC₂形成

图2. 多层六方孔洞MXene的微观结构与形貌。

要点二：确定钾离子在六方孔洞MXene的最佳吸附位置和吸附量

图3. 多层六方孔洞MXene吸附钾离子机理示意图

要点三：揭示碳空位对多层六方孔洞MXene的钾离子吸附和电子传输的影响机制

图4. 吸附钾离子的多层六方孔洞MXene的电荷差分密度和电荷得失

要点四：前瞻

目前，对MXene的本征缺陷尤其使碳空位缺陷研究仍然有限。通过调控MXene本征缺陷，提高储能性能，这也是一条有效途径。通过实验与理论计算阐述其水系钾离子软包超级电容器具备良好导电性和倍率性能的机理。这为高性能水系钾离子软包超级电容器的实际应用提供了新思路和理论基础。

Multi-layers hexagonal hole MXene trap constructed by carbon vacancy defect regulation strategy enables high energy density potassium-ions storage

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103558

吴琼教授简介：现为辽宁工业大学材料科学与工程学院教授。美国陶瓷学会会员，美国电化学会会员，江苏省科技厅产学研专家、功能材料方面带头人，Energy Storage Mater.,  J. Energy Chem.，Appl. Surf. Sci.，Rare Metals，Ceram. Int.，Nanoscale Horiz.，Nanoscale，Dalton T.，Electrochem. Commun.，J. Electrochem . Soc.等国际期刊的编委或审稿人。主要从事储能材料、离子电池、超级电容器等的研发与应用。

张伟教授简介：2004年获得中国科学院金属研究所博士学位。2014年任吉林大学特聘教授（2020起，唐敖庆学者-领军教授）；自2017年起担任吉林大学电子显微镜中心副主任、执行主任、主任。目前主要研究方向为先进电子显微分析与能源/催化材料的表界面。目前为被聘为Nature出版集团期刊Communications Chemistry国际编委、IOP出版集团期刊Nanotechnology国际咨询委员。

薛艳辉，硕士研究生，师从辽宁工业大学吴琼教授。主要从事储能材料二维层状过渡金属碳化物MXene的研发及应用。

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