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山大&中科大AEM: Ti3C2 MXene量子點簇中晶體缺陷引導的雙功能催化活性助力鋰氧電池

提高往返效率和減輕寄生副反應在提高鋰氧電池的活性和耐久性方面起著關鍵作用。Ti₃C₂是典型的2D MXene層狀材料之一，由于出色的金屬導電性和豐富的表面官能團，顯示出在儲能和催化領域的潛在應用。

將Ti₃C₂ MXene的尺寸從納米片縮小到MXene量子點 (MQD)，不僅可以繼承塊狀MXene不同尋常的物理化學優勢，還可以通過邊緣缺陷突破活性位點限制。然而，可充電電池用Ti₃C₂ ?MQD缺陷誘導電化學反應活性的研究仍處于起步階段。

在此，山東大學尹龍衛教授、張志薇&中科大林岳等人首次報道了錨定在N摻雜碳納米片上的充滿豐富晶體缺陷的Ti₃C₂ MXene量子點團簇（Ti₃C₂ QDC/N-C）可以很好地作為Li-O₂電池的雙功能電催化劑。明確的晶界和邊緣缺陷對調節活性鈦原子的局部不飽和配位態以及Ti₃C₂ QDC/N-C的電子結構做出了至關重要的貢獻，大大提高了催化能力。

圖1. Li-O₂電池的電化學性能

DFT計算表明，由晶體缺陷控制的催化中心在誘導電荷密度離域、調節LixOy中間吸附和降低氧化還原能壘等方面具有重要的作用。隨著分解可逆性的優化，最終Li₂O₂的幾何形態和分布發生了明顯的變化，這增強了電催化動力學并降低了氧化還原電壓間隙。

正如預期的那樣，基于Ti₃C₂ QDC/N-C的Li-O₂電池顯示出良好的長期穩定性（200 mA g^-1下循環240次），副反應極少，放電/充電過電位高（0.62 V）。這種晶體缺陷策略為擴展MXenes中用于催化應用的活性位點鋪平了道路。

圖2. DFT計算結果

Bifunctional Catalytic Activity Guided by Rich Crystal Defects in Ti₃C₂ MXene Quantum Dot Clusters for Li-O₂ Batteries, Advanced Energy Materials. 2021,?DOI: 10.1002/aenm.202003069

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