ACS AMI吉林师范大学 - MXene材料联合实验室：压力诱导Ti₃C₂Tₓ MXene导电增强并加快锂离子电池的反应动力学

MXene基材料以其独特的几何和电子结构以及良好的导电性被广泛应用于能源、催化等领域。然而，考虑到多层风琴状MXene纳米片松散的分布，我们认为仍有空间提升此类材料的致密性，降低其晶界/界面电阻，压力是一种值得预期的改性以及同时电极成型的绿色手段。电极压实密度除了对电极/电池内阻有明显影响外， 压实密度过大或过小都会影响电池的体积比容量以及倍率性能，为了达到理想的效果，压力成型存在最佳范围，即可保证粒子间充分接触又不至于堵塞离子移动通道，同时保证电流放电时电子良好的导电性和离子的快速移动，减小放电极化，增加放电平台电压。

在本工作以双面顶液压机提供压力制备一次高压成型的MXene基电极，优化其电子/离子输运行为，解析压力对MXene材料构-效关系的影响，发现预加压力不仅可以提高MXene材料的致密性和导电性，还能够引起金属化相变，减弱反应中的极化现象，改善MXene电极的反应动力学，优化MXene电极电化学性能。压力提供了一种简单的、环保的、通用的方法来调节和制备各种纳米级MXenes，促进MXene基材料在电池及相关领域的应用。

吉林师范大学MXene材料联合实验室（The Joint Labortory of MXene Materials），基于对原位DAC提高MXene导电性机制的理解，依托双面顶液压机制备一次成型的MXene基电极，探究了预加压力与MXene基电极功能之间的相互调制关联。

本工作通过结合DAC和双面顶液压机的优势，研究了压力对Ti₃C₂T_x MXene输运能力和电化学储能的影响。原位DAC实验和第一性原理计算证明压力致使Ti₃C₂T_x MXene层间电子浓度增加和晶界势垒降低，从而使其导电性显著提高。利用双面顶液压机预压处理Ti₃C₂T_x MXene (0.4, 2.0, 4.0 GPa)重现了导电性增强的结果，并表征预加压后MXene的晶体结构、组成元素的价态及局部形貌等相关演变信息。电化学结果分析预加压力与MXene基电极功能之间的调制机制，实验证明在2.0 GPa的压力阈值下会改善Ti₃C₂T_x MXene的导电性和层间致密性，导致削弱氧化还原反应中的极化现象，加快离子输运，改善MXene基电极的反应动力学，提高离子存储容量，为调节各种纳米级MXenes提供一种新的、简单的、通用的思路和方法。

该成果以Pressure-Engineered Ti₃C₂T_x MXene with Enhanced Conductivity and Accelerated Reaction Kinetics of Lithium Storage为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

结合DAC原位探测和双面顶液压机材料制备的各自优点，首次研究了压力对Ti₃C₂T_x MXene输运能力和储能性能的影响。Ti₃C₂T_x MXene的电阻在0.4 ~ 2.2 GPa区间明显降低(从3.3 × 10⁴ Ω降低至1.4 × 10³ Ω)，即使在释放压力后，电导率也仍保有近一个数量级的增长，这主要受压缩过程中微观形貌、致密度和晶界复合等介观变化的影响。与此同时，压力诱导Ti₃C₂T_x发生半导体到金属相的转变，也会导致窄带隙的闭合，并产生更多自由移动的电子。基于液压机预压处理Ti₃C₂T_x导致其晶格收缩，层间致密性增加，重现了导电性增强的结果。并发现在2.0 GPa的压力阈值下，高压一次成型的Ti₃C₂T_x陶瓷电极能够成功减弱锂离子电池中的极化，加快电荷传输速率，提高离子存储容量。

文献链接

https://doi.org/10.1021/acsami.2c13220

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团队简介

       贾洪声（通讯作者），2011年毕业于吉林大学超硬材料国家重点实验室，获理学博士学位，吉林师范大学教授，硕士生导师，吉林省磁性与发光材料科技创新中心副主任（主持工作）。超硬复合材料及其制品吉林省校企联合技术创新实验室负责人。主要从事高压物理、超硬陶瓷材料高压合成、锂硫电池及其制品及其在机械加工、电子基板和能源电池领域的应用等工作。

       鲁铭（通讯作者），2019年毕业于吉林大学材料科学与工程学院，获工学博士学位。2019年7月入职吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室-“MXene材料联合实验室”，主要开展MXene材料的可控制备、表征解析、结构导向设计、离子插层电极反应机制研究。

        张俊凯（通讯作者），吉林师范大学物理学院讲师。2014年毕业于吉林大学，获理学博士学位。2016年7月入职吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室，目前主要从事极端条件下的物理与化学、微纳半导体材料的可控制备等研究。