一、文章概述

二維(2D) MXene，包括碳化物、氮化物和碳氮化物MXene，已被證明是一種可能的候選鈉離子電池負極材料。文章重點研究了氮化物MXene的電子性能和電化學性能。首先，利用密度泛函理論模擬揭示了鈦碳氮化物Ti3CNTx、氮化物MXene Ti3N2Tx和帶氧端碳化物MXene Ti3C2Tx的幾何結構和電子性能、Na擴散路徑和存儲行為，預測了Ti3N2O2比Ti3C2O2具有更好的性能。同時，對Ti3C2Tx和Ti3CNTx進行了結構表征和電化學性能實驗，驗證了理論預測并測試了循環(huán)性能。Ti3N2O2的優(yōu)異性能來自于O Ti N比O Ti C連接更強，導致Ti3N2O2的堆疊更緊密，層間距比Ti3C2O2大，有利于鈉化和脫鹽。在20 mA/g電流密度下，循環(huán)35次后，Ti3CNTx的容量再次增加到145 mAh/g，理論計算結果的擴散壘證實了Ti3CNTx比Ti3C2Tx具有更好的倍率性能。Ti3CNTx循環(huán)200次后的循環(huán)性能為110 mAh/g(初始值的60%)，優(yōu)于Ti3C2Tx 87 mAh/g(初始值的51%)。值得注意的是，這些性能保證了氮化MXene比碳化物MXene更適合作為鈉離子電池的負極材料。這些研究結果有助于拓展MXene家族，促進其在儲能領域的應用。

二、圖文導讀

圖1.Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2結構的電子性能。(a c) Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2的態(tài)密度和(d)電荷密度差。這里，藍色區(qū)域代表電子損失，黃色區(qū)域代表電子積累。

圖2.Na在Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2中嵌入的擴散路徑和能壘。(a)一個Na在Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2層中的擴散路徑和(c)能壘。(b)以Ti3N2O2型MXene為例，一個Na原子穩(wěn)定插層的主視圖。

圖3.Ti3C2O2、Ti3CNO2 和 Ti3N2O2 中不同 Na 含量的結構模型和特征。(a) 以 Ti3N2O2 為例，9 (6.67%)、18 (13.33%)、27 (20.00%) 和 45 (33.35%) 個 Na 原子嵌入 Ti3C2O2、Ti3CNO2 和 Ti3N2O2 層的結構模型和（ b, c) Ti3C2O2、Ti3CNO2 和 Ti3N2O2 層中不同 Na 原子數的形成能（實線）、平均吸附能（虛線）和層間距。

圖4.Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2的電荷轉移和電化學性能。(a)Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2中18個Na原子(13.33%)的電荷密度差和(b) Bader分析。其中，黑色方塊表示循環(huán)前Ti、C、O、N的電荷數，紅色圓圈表示循環(huán)后的電荷數。(c)計算不同數量的Na插入到Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2的OCVs(實線)和容量(虛線)。

圖5.Ti3C2Tx和Ti3CNTx的結構表征。(a) Ti3C2Tx和(b) Ti3CNTx的SEM圖。(c) Ti3AlC2、Ti3AlCN、Ti3C2Tx和Ti3CNTx的XRD譜圖。(d) Ti3C2Tx和Ti3CNTx的孔徑分布;插圖為氮氣吸附解吸等溫線。(e) Ti3C2Tx和Ti3CNTx的XPS測量光譜。(f) Ti3C2Tx和Ti3CNTx的反卷積N 1s峰的高分辨率XPS光譜。

圖6.Ti3C2Tx和 Ti3CNTx的電化學性能測試。(a) Ti3C2Tx在0.1 mV/s下前三個周期的CV曲線。(b) Ti3CNTx在0.1 mV/s下前三個周期的CV曲線。(c)在電流密度為20 mA/g時，Ti3C2Tx和Ti3CNTx的初始放電/充電分布。(d)在20到2000 mA/g的不同電流密度下的速率性能。(e) Ti3C2Tx和Ti3CNTx在電流密度為100 mA/g時的循環(huán)性能。(f)循環(huán)前Ti3C2Tx和Ti3CNTx的Nyquist圖。

三、全文總結

總之，通過實驗和計算方法(DFT)分析了碳化鈦(Ti3C2Tx)和氮化碳(Ti3CNTx和Ti3N2Tx) MXenes的電子性能和電化學性能。結果表明，O Ti N的相互作用強于O Ti C，導致Ti3CNO2和Ti3N2O2的堆疊更緊密，層間間距大于Ti3C2O2，有利于鈉化/脫鹽。從DOS圖中可以看出，Ti3N2Tx和Ti3CNTx MXenes具有更好的導電性。Ti3C2O2的擴散勢壘為0.04 eV和0.123 eV，而Ti3C2O2的擴散勢壘為0.31 eV，實驗結果證實了這一點。此外，降低了Ti3N2Tx的開路電壓值。值得一提的是，Ti3CNTx比Ti3C2Tx具有更好的循環(huán)性能。這些獨特的特性使這些碳氮化物/氮化物MXenes (Ti3CNTx和Ti3N2Tx)成為有前途的可充電鈉離子電池負極材料，這可能會立即引起人們的關注。

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