北师大孙根班/李会峰ACS Nano: 用于锂氧电池的MXene基异质结电催化剂

具有高电导率的二维MXene在表面具有亚稳态Ti原子和惰性官能团，极大地限制了其在与表面相关的电催化反应中的应用。

在此，北京师范大学孙根班教授、李会峰副教授等人将DFT理论与实验相结合，通过简单的原位氧化结合氮掺杂策略制备了表面功能化的氮掺杂二维TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结（N-TiO₂/Ti₃C₂T_x）。由于电化学活性位点的优化电子结构、用于吸附过量中间体/Li₂O₂的高度暴露活性位点及快速的电子转移，这种异质结呈现出优异的性能。

具体而言，基于Ti₃C₂T_x的导电基底，N-TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结保持金属性，有效地加速了电极中Li⁺和电子的转移。更重要的是，N-TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结中活性位点的精确调节优化了对LiO₂和Li₂O₂的吸附并促进了缓慢的动力学，在氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）中具有最低的理论过电位。

图1. N-TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结的制备方案及其应用

因此，当作为锂氧电池（Li-O₂电池）中的电催化剂时，N-TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结表现出15298 mAh g^-1的高比容量、在500 mA g^-1下超过200次循环的优异循环性能及0.47 V的最低过电位，极大缓解了Li-O₂电池的极化现象。此外，作者采用原位差示电化学质谱（DEM）、非原位SEM和非原位拉曼光谱对反应机理进行了研究。

结果显示，N-TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结电极具有优异的稳定性和较少的副反应，证实了其较高的ORR和OER性能，表明N-TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结是一种很有前途的Li-O₂电池正极电催化剂。这项研究对设计用于非质子Li-O₂电池的先进未来电催化剂和其他用于表面相关反应的催化剂具有重要意义。

图2. 基于N-TiO₂/Ti₃C₂T_x异质结电催化剂的Li-O₂电池性能

Theoretical Design and Structural Modulation of a Surface-Functionalized Ti₃C₂T_xMXene-Based Heterojunction Electrocatalyst for a Li-Oxygen Battery, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.1c10890

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北师大孙根班/李会峰ACS Nano: 用于锂氧电池的MXene基异质结电催化剂

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