文章信息

具有界面协同效应的MXene@F-GDY异质结构助力高性能锂离子电池

第一作者：王勇彬

通讯作者：杨维清*，刘妍*

单位：西南交通大学

研究背景

二维层状MXene材料凭借其类金属导电性、高比表面积、赝电容特性以及出色的理论锂离子存储容量，被视为构建高性能锂离子电池电极的理想候选材料。然而，MXene纳米片层间存在强烈的范德华力，易导致严重的重新堆叠问题，大幅限制离子传输；此外，合成过程中不可避免的表面官能团异构功能化与结构缺陷，也严重制约了其实际比容量。构建二维异质结构被认为是缓解上述问题的有效策略，然而现有异质结构普遍面临界面稳定性差和活性位点有限等挑战，难以实现电化学性能的显著突破。

为从根本上解决MXene的重新堆叠及离子迁移动力学缓慢等问题，本研究提出了一种原位界面生长策略，成功构建了MXene@氟化石墨炔（MXene@F-GDY）二维异质结构。该结构不仅有效抑制了MXene纳米片的再堆叠，还通过界面协同效应显著提升了材料的比容量、倍率性能和循环稳定性，从根本解决了MXene电极动力学迟缓的瓶颈问题。本研究为先进二维异质结构的设计提供了创新的界面工程思路，对发展下一代高性能储能系统具有重要的推动意义。

文章简介

近日，西南交通大学的杨维清教授与刘妍副教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A MXene@fluoride graphdiyne heterostructured anode with interface synergistic effects for lithium-ion batteries”的研究论文。该研究通过原位界面生长策略，成功构筑了MXene@氟化石墨炔（MXene@F-GDY）二维异质结构。研究团队将F-GDY纳米片精准集成于MXene纳米片的表面与层间空间中，有效抑制了MXene的再堆叠，并诱导产生显著的层间距扩张，从而构建出宽度更大、稳定性更高的锂离子传输通道。尤为重要的是，MXene与F-GDY之间因功函数差异诱发界面电子转移，形成强内建电场，极大提升了电荷转移效率。此外，F-GDY本征面内纳米孔结构（d = 13.3 Å）提供了大量可及的锂离子存储位点，同时显著降低了离子迁移动力学阻力。得益于此独特的结构设计与界面协同机制，MXene@F-GDY电极表现出卓越的电化学性能，包括高比容量、优异倍率性能以及出色的长循环稳定性。该研究为二维异质结构在高性能锂离子电池中的应用提供了新思路与实验依据。

图1. MXene@F-GDY异质结构的合成示意图

本文要点

要点一：异质结构界面工程有效抑制MXene纳米片的堆叠

采用SEM、XRD和TEM等多种表征对MXene@F-GDY的形貌和结构进行分析。SEM图像显示，絮状F-GDY纳米片均匀包覆于层状MXene表面；TEM结果进一步表明，F-GDY不仅在MXene表面实现均匀生长，更渗透至其层间空间，且界面结合紧密，未观察到明显相分离界限。XRD与拉曼光谱中均清晰出现F-GDY的特征信号峰，共同证实MXene@F-GDY异质结构成功构建。值得注意的是，HRTEM与XRD测试结果显示，纯MXene的层间距为1.32 nm，而形成异质结构后扩展至1.49 nm，显著增大13.3%。表明通过F-GDY的界面工程修饰，有效抑制了MXene纳米片的重新堆叠行为，实现了层间距的显著扩大，为锂离子的快速迁移提供了有利通道。

图2. (a) MXene@F-GDY异质结构与纯MXene的层间距差异示意图，(b) MXene@F-GDY的SEM图；(c) MXene@F-GDY，(d) 纯MXene，(e) MXene@F-GDY的HRTEM图。

图3. MXene@F-GDY异质结构与纯MXene的(a) XRD与(b) 拉曼谱图，(c-f) MXene@F-GDY异质结构与纯MXene的XPS谱图。

要点二：内建电场增强锂离子存储与传输的界面机制

通过密度泛函理论（DFT）计算分析了MXene@F-GDY界面电子相互作用。MXene@F-GDY，MXene和F-GDY功函数分别为3.153 eV、1.904 eV和5.924 eV，显著差异驱动电子自发从MXene向F-GDY转移，引发界面能带重构并形成内建电场。该电场有效促进了界面电荷的快速迁移，显著改善了电极反应的动力学性能。态密度（DOS）分析表明，MXene@F-GDY在费米能级附近表现出高于任一单一组分的电子态密度，证实异质结具有优异的电子导电性。此外，MXene@F-GDY对Li⁺的吸附能高达1.636 eV，明显优于原始MXene（0.995 eV）和F-GDY（1.545 eV），表明其具备更强的锂离子结合能力。同时，异质结中的Li⁺迁移能垒较纯MXene降低了19.8%以上，进一步体现出优异的离子传输特性。结果充分表明，F-GDY的引入通过界面电子调控优化了锂离子的存储热力学和传输动力学。

图4. (a-c) MXene@F-GDY，纯MXene，纯F-GDY的功函；（d）电子转移和内建电场形成示意图；（e）异质结构界面处的电荷密度差；（f）MXene@F-GDY的DOS图；（g）锂离子吸附能；（h）锂离子在表面的迁移势垒。

要点三：MXene@F-GDY锂离子电池负极展现卓越的电化学性能

电化学测试结果表明，MXene@F-GDY异质结构作为锂离子电池负极表现出优异的性能。在0.1 A g^-1的电流密度下循环100次后，该电极仍可提供631.8 mAh g^-1的可逆比容量，显著优于纯MXene电极（181.9 mAh g-1）。倍率性能方面，在0.1至2 A g⁻¹的不同电流密度下，MXene@F-GDY的容量最高可达纯MXene的2.8-3.3倍，显示出优异的快速充放电能力。尤其值得注意的是，在1 A g^-1电流下经历1000次长循环后，MXene@F-GDY仍能保持207.3 mAh g^-1的容量，分别为纯MXene和纯F-GDY的2.44倍和1.45倍，充分体现了其显著的结构稳定性和电化学耐久性。这些结果凸显了MXene@F-GDY异质结构作为高性能锂离子电池负极的巨大应用潜力。

图5. MXene@F-GDY的电化学性能：(a) MXene@F-GDY锂离子半电池示意图，(b) CV曲线，(c) 0.1 A g^-1下恒流充放电曲线，(d) 0.1 A g^-1下循环稳定性，(e) 倍率性能，(f) 不同电流密度下充放电曲线，(g) 长循环稳定性。

文章链接

A MXene@fluoride graphdiyne heterostructured anode with interface synergistic effects for lithium-ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167719