山大&中科大AEM: Ti3C2 MXene量子点簇中晶体缺陷引导的双功能催化活性助力锂氧电池

提高往返效率和减轻寄生副反应在提高锂氧电池的活性和耐久性方面起着关键作用。Ti₃C₂是典型的2D MXene层状材料之一，由于出色的金属导电性和丰富的表面官能团，显示出在储能和催化领域的潜在应用。

将Ti₃C₂ MXene的尺寸从纳米片缩小到MXene量子点 (MQD)，不仅可以继承块状MXene不同寻常的物理化学优势，还可以通过边缘缺陷突破活性位点限制。然而，可充电电池用Ti₃C₂ MQD缺陷诱导电化学反应活性的研究仍处于起步阶段。

在此，山东大学尹龙卫教授、张志薇&中科大林岳等人首次报道了锚定在N掺杂碳纳米片上的充满丰富晶体缺陷的Ti₃C₂ MXene量子点团簇（Ti₃C₂ QDC/N-C）可以很好地作为Li-O₂电池的双功能电催化剂。明确的晶界和边缘缺陷对调节活性钛原子的局部不饱和配位态以及Ti₃C₂ QDC/N-C的电子结构做出了至关重要的贡献，大大提高了催化能力。

图1. Li-O₂电池的电化学性能

DFT计算表明，由晶体缺陷控制的催化中心在诱导电荷密度离域、调节LixOy中间吸附和降低氧化还原能垒等方面具有重要的作用。随着分解可逆性的优化，最终Li₂O₂的几何形态和分布发生了明显的变化，这增强了电催化动力学并降低了氧化还原电压间隙。

正如预期的那样，基于Ti₃C₂ QDC/N-C的Li-O₂电池显示出良好的长期稳定性（200 mA g^-1下循环240次），副反应极少，放电/充电过电位高（0.62 V）。这种晶体缺陷策略为扩展MXenes中用于催化应用的活性位点铺平了道路。

图2. DFT计算结果

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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