ZrO2 气凝胶/MXene异质结构界面耦合增强锂离子存储性能的创新研究

针对MXene材料因堆叠问题和有限储容量制约实际应用的难题，研究人员通过湿化学法构建ZrO2 气凝胶/MXene异质结构，实现了561.1 mAh g?1 的高可逆容量（2.0 A g?1 下稳定循环400次）。该研究通过实验与密度泛函理论(DFT)揭示了界面强耦合促进电子/离子传输的机制，为高性能锂离子电池(LIBs)负极设计提供了新范式。

　　

锂离子电池(LIBs)作为现代电子设备和电动汽车的核心动力源，其性能提升始终是能源材料领域的研究焦点。尽管石墨负极已商业化数十年，但其理论容量仅为372 mAh g^?1
，难以满足日益增长的高能量密度需求。二维材料MXene（如Ti₃
C₂
）因其金属性导电和多重离子吸附特性被视为潜力替代者，但实际应用中面临两大瓶颈：片层自堆叠导致活性位点丧失，以及表面官能团限制层间距，致使实验容量远低于理论值。更棘手的是，现有MXene复合材料（如TiO₂
/MXene或碳纳米管复合体系）仍存在容量不足和倍率性能差等问题。

针对这一挑战，浙江大学的研究团队创新性地将高稳定性ZrO₂
气凝胶与MXene结合，通过精确调控界面耦合作用，成功构建了具有分级多孔网络的异质结构。该材料在《Applied Surface Science》发表的研究中展现出561.1 mAh g^?1
的卓越可逆容量，且在2.0 A g^?1
高电流密度下循环400次后仍保持稳定。密度泛函理论(DFT)计算进一步证实，该异质结构具有超低离子扩散势垒（0.21 eV）和强锂吸附能（-3.02 eV），为开发新一代高功率LIBs负极提供了理论依据和材料基础。

关键技术方法
研究采用湿化学法合成聚乙酰丙酮锆(PAZ)前驱体，通过溶剂热反应构建ZrO₂
气凝胶/MXene异质结构。利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征微观形貌，X射线光电子能谱(XPS)分析界面化学状态。电化学测试包括循环伏安法(CV)和恒电流充放电(GCD)，结合DFT计算模拟锂吸附能及扩散路径。

研究结果

1. 材料合成与表征：SEM显示ZrO₂
   气凝胶呈现"珍珠项链"状多孔结构（图2a），MXene片层被均匀分隔。高分辨TEM证实界面处存在Zr-O-Ti共价键（图3d），XPS显示Ti 2p峰向低能级偏移0.8 eV，表明强电子相互作用。

2. 电化学性能：异质结构在0.1 A g^?1
   下首圈容量达892.4 mAh g^?1
   ，库仑效率81.3%。倍率测试中，2.0 A g^?1
   下容量保持率较纯MXene提升300%（图5c）。

3. 机制分析：DFT计算揭示ZrO₂
   (101)/Ti₃
   C₂
   O₂
   界面锂扩散能垒仅0.21 eV（图7b），远低于纯MXene的0.38 eV。电荷密度差分图显示界面处电子重分布（图7d），促进电荷转移。

结论与意义
该研究通过界面工程策略成功解决了MXene的堆叠难题，ZrO₂
气凝胶不仅作为物理间隔物抑制片层团聚，其表面氧空位还提供了额外锂存储位点。理论模拟与实验验证的协同分析模式，为异质结构设计提供了普适性研究方法。这项成果不仅推动了MXene基材料在能源存储领域的实用化进程，更为开发兼具高容量和快充性能的下一代电池负极指明了方向。