基于Ti、Mo类 Mxenes材料的表/界面修饰及电化学储能特性研究

As a new type of two-dimensional (2D) structural material, transition metal carbide or nitride (Mxenes) has broad application prospects in energy storage, electromagnetic absorbing, electrocatalysis, and so on. In this project, we focus on the preparation and stripping of Ti/Mo MXenes materials, surface and interfacial modification, and the influence of supported metal nanoclusters on the MXenes composite nanocatalysts surface. These studies will provide a theoretical basis for developments high activity and cycle performance lithium-air battery catalysts. These researches including: (1) The Ti/Mo MXenes materials are prepared by electrochemical intercalation method, etc. In addition, we will discuss the chemical mechanism of controllable surface and interface by functional group modification on materials. (2) It will establish a new synthetic strategy, which exhibits the metal (alloy) or metal oxide nanoclusters with MXenes materials are directional assembled, and the composite nanocatalyst are controlled synthesized by regulating interface parameters. The first principle will be used to studying the interface properties of metal nanoclusters on the material surface. (3) The electrocatalytic reactions involved in the lithium-air battery are discuss according to the structure-activity relationship between structure and performance of the composite nanocatalyst. Moreover, we will discuss the degree of surface activation of the different components on nanocatalyst and the reaction mechanism of interfacial charge transport, which will guide the design of the composite catalyst synthesis.

二维过渡金属碳/氮化物（Mxenes）作为一类新型二维结构材料在储能、吸波、电催化等领域有着广阔的应用前景。本项目围绕Ti、Mo类MXenes材料的制备方法、剥离以及表/界面修饰，研究负载不同纳米团簇对MXenes复合催化剂的活性影响，为开发高活性、高循环性能的锂-空气电池催化剂提供理论基础。内容包括：（1）使用电化学插层等新方法获得Ti、Mo类MXenes材料，研究材料表面官能团修饰的化学调控机制；（2）建立金属（合金）及金属氧化物纳米团簇与MXenes材料定向组装、复合催化剂表/界面参数调控的合成新策略；用第一性原理研究金属团簇在材料表面上的支撑情况和界面性质变化；（3）依据复合催化剂结构与性能的构效关系，研究锂-空气电池体系中涉及的电催化反应，研究催化剂不同组分单元的表面活化程度、界面电荷传输的影响因素及反应机理，指导复合催化剂的设计合成。

无机合成化学在能源存储与转换材料中具有重要地位，锂空电池中催化剂的合成与改性策略已成为研究的热点，对大规模、宏量化锂空电池的应用起到重要作用。本项目以MXenes材料这一研究热点领域及其前沿发展的动态、结合自身的工作基础出发，围绕Ti3C2类MXenes材料的制备方法、剥离以及表/界面修饰，研究了负载金属氧化物纳米团簇对MXenes材料复合催化剂的活性影响，为开发低成本、高活性和高循环性能的锂-空气/硫电池催化剂研究提供基础。主要研究内容包括以下三个方面：.①MXenes材料合成方法的探索。ⅰ）使用原位合成以及锂爆膨新方法获得Ti3C2基MXenes材料，研究了材料表面官能团修饰的化学调控机制；提出了一种基于可控的“嵌锂-合金化膨胀-微爆炸”的新机理，开发了一种简单并有效的无氟绿色途径，可直接制备单层或少层Ti3C2Tx MXene。ⅱ）通过水热诱导多层Ti3C2Tx表面及层间部分氧化，利用Ti3C2Tx MXene纳米片表面的热力学亚稳态钛原子为成核位点，在Ti3C2Tx纳米片上原位生长了系列金属氧化物纳米粒子，构建出异质结结构的催化材料。.②理论研究了金属团簇在材料表面上的支撑情况和界面变化。使用密度泛函理论计算发现，部分掺杂N-TiO2/Ti3C2Tx异质结的催化剂在费米能级处具有较高DOS，具有较高的电导率和高电催化活性位点，表面功能化的异质结构具有更多活性电子，可以优化催化剂对LiO2和Li2O2的吸附，有利于降低电池反应过电位，促进电化学反应的进行。.③研究了锂-空气/硫电池体系中涉及的电催化反应机制。原位微分电化学质谱、扫描电镜和拉曼光谱等测试结果可对反应机理进行详细阐述，发现异质结类的催化剂可更好的调节Li2O2/LiO2可逆生成和分解，降低各种副反应造成的极化，利于锂氧气电池电化学性能提升。锂硫电池中，稳定的层状Ti3C2Tx可提高电子电导率，分散在Ti3C2Tx表面和层间的极性纳米颗粒对多硫化物有强烈的化学吸附作用。同时，异质结类催化材料能有效抑制多硫化物的迁移并增强吸附多硫化物的动力学。