山东大学冯金奎教授AEM：一锅法蚀刻策略制备具有可调配位化学的分级多孔N掺杂碳包覆无氟MXene

二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）在层间距扩展、表面终止改性和成分结构构建方面的持续和大量探索引起了储能领域的极大兴趣。然而，由于对MXenes的配位化学缺乏基本的理解，它们的使用仍然受到严重阻碍。

近日，山东大学冯金奎教授通过一种新的单点蚀刻策略，制备了具有可调控配位化学的分级多孔N-掺杂碳包覆的无氟Ti3C2Tx。通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜和X射线光电子能谱，作者确定了通过相位重建操纵的与N配位的Ti。此外，此外，明显观察到分级多孔氮掺杂碳（HPNC），其导致材料表面积的成倍增加，这源于微孔和中孔的显著增加。结果，Ti与N配合的结构协同效应和HPNC提高了结合能，减少了加速氧化还原动力学的能量障碍，并促进了多硫化锂的物理固定化。上述MXenes改性的隔膜赋予锂硫电池0.5 A g-1下889.5 mA h g-1的可逆容量，循环100次后容量保持率为79.5%。总的来说，这项工作提供了一种新的和通用的蚀刻策略，即直接合成具有可调谐配位化学的无氟MXene，以探索结构和电化学特性之间的相关性。

文章要点：

1. 这项工作通过基于新型室温熔融盐（1-Butyl-3-methyl-1H-imidazol-3-ium tetrachloroferrate (III), RTMS）的一锅蚀刻策略，操纵了具有可调谐配位化学的分级多孔N型碳包覆的Ti3C2TxMXene（Ti-N-Ti3C2Cl-C）。

2. 通过粉末X射线衍射（PXRD）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和X射线光电子能谱（XPS）鉴定了这种通过相位重构实现的Ti和N之间的独特协调结构。同时，在其表面明显观察到层次分明的多孔氮掺杂碳（HPNC），由于微孔和中孔的大量增加，使材料表面积增加了数倍。

3. 通过实验和密度泛函理论（DFT）验证，Ti与N的配位结构提高了结合能并降低了能垒，加速了多硫化锂（LiPSs）的氧化还原动力学，而HPNC以及柔性屏蔽不仅缓解了Ti3C2TxMXene层的重新堆积，还提高了LiPSs的物理固定性。

4. 此外，Ti-N-Ti3C2Cl-C修饰的隔膜使锂硫电池（LSBs）实现了优异的电化学性能，这确保了这种有前景的材料在能源转换和存储领域的应用。

图1 材料制备示意

图2 材料表征

图3 对多硫化物的吸附与催化

图4 锂硫电池性能