摘要：近年来，随着新能源汽车的普及和低碳经济的发展，对高效储能系统的需求日益增长。伪电容器因其高功率密度成为新一代储能设备的有力候选。MXenes（二维过渡金属碳化物/氮化物）因其优异的质子/电子传输能力和可调控的表面化学性质而备受关注。然而，其表面端基的不稳定性和

近年来，随着新能源汽车的普及和低碳经济的发展，对高效储能系统的需求日益增长。伪电容器因其高功率密度成为新一代储能设备的有力候选。MXenes（二维过渡金属碳化物/氮化物）因其优异的质子/电子传输能力和可调控的表面化学性质而备受关注。然而，其表面端基的不稳定性和持续氧化问题导致容量迅速衰减，严重限制了实际应用。

近日，西北工业大学张秋禹教授、郭威副教授团队通过芳纶纳米纤维（ANF）作为界面介质，对MXenes进行热重构，成功引入了共价与非共价相互作用的协同界面，实现了高达531.9 F g⁻¹的比电容和18万次循环后92.2%的容量保持率。该研究通过原位透射电镜观察和理论计算，揭示了界面重构对质量和电荷传输的增强机制，为MXenes在高效储能中的应用提供了新思路。相关论文以“Engineering Covalent and Noncovalent Interface Synergy in MXenes for Ultralong-life and Efficient Energy Storage”为题，发表在

研究团队首先通过扫描电镜和原子力显微镜确认了ANF和MXene的形貌特征，并利用X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析了热重构过程中化学键的变化。随着热处理温度升高，C–C键比例显著增加，而C–Ti键减少，在400°C时出现了Ti–N共价键和吡啶/吡咯氮结构，表明ANF发生开环反应并与MXene形成稳定界面。FT-IR谱中在670 cm⁻¹处出现的Ti–N伸缩振动峰进一步证实了共价键的形成。

图1. a) MXenes的非共价（左）和共价（右）修饰策略示意图。 b) 热重构过程中MXenes中共价和非共价相互作用的示意图。

热重分析显示，ANF/MXene复合材料在氮气环境中表现出延迟氧化的行为，避免了TiO₂的生成，从而提高了结构稳定性。X射线衍射结果表明，层状结构得以保持，而层间距略有减小，有助于氢键网络的致密化。拉曼光谱分析显示，复合材料在1368和1589 cm⁻¹处出现D峰和G峰，ID/IG值为0.93，表明缺陷密度较低，结构有序性良好。

图2. a,b) 不同热处理温度下薄膜的C 1s和N 1s XPS谱图。（嵌入结构：a) 热处理前后复合结构中C–Ti键和C–C键的结构模型；b) 热处理前后复合结构中Ti–N键的结构模型。） c) 不同温度下薄膜中C–C、C–Ti、C–N、Ti–O和Ti–N峰比例的比较。 d) AMX和AMX-400°C薄膜的FT-IR谱图。 e) MXene和AMX在N₂环境下的热重（TG）曲线。 f) 不同热处理温度下薄膜的XRD图谱及计算的层间距值。 g) 不同热处理温度下薄膜的拉曼光谱比较。

通过原位加热透射电镜，研究人员实时观察了材料在热处理过程中的微观结构演变。在200°C时，材料内部出现空隙，随着温度升至400°C，孔隙进一步增加，形成了超细介孔结构，有利于离子传输和电子传导。元素分布图显示Ti、C、N均匀分布，表明界面重构具有良好的一致性。

图3. a) 原位TEM实验装置示意图。 b) 原位TEM加热过程曲线。插图为AMX-400°C薄膜的FIB切片图像。 c) 通过原位TEM分析的AMX电极材料形貌演变过程。 d) AMX电极材料中Ti、C、N的TEM元素分布图。 e) 通过原位TEM分析的AMX电极材料在加热过程中的高分辨TEM图像。

电化学测试表明，经过400°C热处理的AMX-400°C电极在3 M H₂SO₄电解液中表现出优异的性能，其比电容显著高于其他样品，且具有较低的Warburg因子和较高的双电层电容，表明离子传输动力学得到显著提升。 Dunn方法分析显示，其表面电容贡献在50 mV s⁻¹时达到94%，表明其储能行为主要由表面控制。此外，该电极在18万次循环后容量保持率高达92.2%，且循环后结构完整，无宏观裂纹。

图4. a) 不同薄膜电极在3 M H₂SO₄电解液中的CV曲线。 b) 各电极在不同扫描速率下的比电容。 c) 用于确定b值的log i与log v关系图。 d) Z'与ω⁻¹/²之间的线性关系。 e) 不同电极材料的电流密度与扫描速率的拟合线性关系。插图为Cdl值。 f) AMX-400°C电极的电容贡献。 g) AMX-400°C电极的循环稳定性。插图为18万次循环前后在50 mV s⁻¹下的CV曲线对比。 h) 本研究与文献结果的性能对比。

理论计算进一步揭示了界面协同效应的机制。密度泛函理论（DFT）计算表明，吡啶N与Ti之间的结合能较低，更易于形成稳定的共价键。电子态密度分析显示，优化后的结构在费米能级附近的电荷密度显著增加，表明电子传导行为增强。差分电荷密度图显示，在Ti–N键附近出现电荷积累，有利于H⁺的吸附。此外，Ti–N键的存在提高了TiO₂的形成能，抑制了MXene的氧化倾向。

图5. a) AMX-400°C电极的原位拉曼光谱。 b) AMX电极的原位拉曼光谱。 c) AMX-400°C电极与AMX电极在400 cm⁻¹附近拉曼峰位移变化的比较。 d) 优化ANF链段中吡啶和吡咯结合能的计算模型。 e) 原始AMX结构和具有Ti–N键的优化AMX结构的总态密度和分波态密度计算。 f) 具有Ti–N键的优化AMX结构的电荷密度分布（黄色和绿色分别表示电荷积累和消耗）。 g) 在具有Ti–N键的优化AMX结构的不同活性位点上H⁺的吸附能。 h) 在不含Ti–N键的优化AMX结构的不同活性位点上H⁺的吸附能。 i) 纯MXene结构与具有Ti–N键的优化AMX结构中TiO₂形成能的比较。

该研究通过ANF介导的热重构成功实现了MXene的共价/非共价双修饰，显著提升了其电化学性能和结构稳定性。AMX-400°C电极不仅具有高比电容和超长循环寿命，还表现出良好的机械性能和红外隐身能力，在极端环境下具有广阔应用前景。这项工作为MXene基电极材料的设计提供了新思路，突破了其反应性与稳定性之间的固有矛盾，推动了高效储能器件的发展。

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来源：我可以不吃东西