二維層狀過渡金屬碳化物和氮化物(MXenes)是近年來發(fā)現(xiàn)的一類新型二維材料，基于其高導(dǎo)電率以及獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，以Ti3C2Tx，V2CTx為代表的MXenes在鋰離子電池以及超級(jí)電容器等能源儲(chǔ)存方面得到了越來越廣泛的研究。不過當(dāng)前報(bào)道的MXenes實(shí)際儲(chǔ)能容量均遠(yuǎn)低于理論值，因此進(jìn)一步提高其儲(chǔ)能能力至關(guān)重要。

近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室宋禮教授課題組通過鈷離子插層策略，成功設(shè)計(jì)和制備了具有超高儲(chǔ)鋰容量和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的碳化礬 MXene電極材料。該研究通過液相刻蝕手段，在35℃下用HF刻蝕V2AlC MAX相得到了面間距為0.735 nm（小于以往報(bào)道面間距）的V2C MXene，在0.1 A/g的電流密度下表現(xiàn)出686.7 mA h/g 的儲(chǔ)鋰比容量，更加接近于V2C MXene約940 mA h g-1的理論儲(chǔ)鋰容量。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過鉀離子預(yù)插層和鈷離子交換方法，獲得了面間距擴(kuò)大為0.952 nm的V2C MXene。同步輻射X-ray吸收譜分析證實(shí)了這種Co插層MXene層與層之間具有穩(wěn)定的V-O-Co鍵，其中二價(jià)鈷離子主要存在于V2C內(nèi)部層間，三價(jià)鈷離子主要存在于近表面的層間， 并最終計(jì)算了V2C中鈷離子的平均化合價(jià)為+2.12。由于插層鈷離子贗電容的貢獻(xiàn)以及V-O-Co鍵的形成，該插層材料表現(xiàn)出1117.3 mA h/g的儲(chǔ)鋰放電比容量，并且經(jīng)15000圈的循環(huán)充放電之后幾乎沒有容量衰減。進(jìn)一步將V2C@Co電極作為正極與石墨烯負(fù)極組裝成鋰離子電容器并同樣展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。這一研究工作基于同步輻射軟線和硬線的X-ray吸收譜技術(shù)，不僅有效地解析了插層離子在MXene層間的存在形式，同時(shí)也為理解二維電極材料的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化機(jī)制提供了一種有力的檢測(cè)手段。

相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201802525）上。