表面处理在提升CrTe/MXene性能以用于锂离子电池（LIBs）中的作用

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Role of Surface Terminations in Enhancing CrTe 2 MXene Performance for LIBs

锂离子电池阳极材料表面修饰调控研究：通过密度泛函理论计算发现CrTe?X（X=O,S,F,Cl）二维MXenes具有低锂扩散势垒（0.29-0.37 eV）和优异储锂容量（396-404 mAh/g），表面官能团影响电子结构和电化学性能，为高能量密度LIBs开发提供理论依据。

　　

卡马尔·阿布哈桑（Qamar Abuhassan）|艾哈迈德·阿尔杜莱米（Ahmed Aldulaimi）|奥梅玛·萨利姆·瓦利德（Omayma Salim Waleed）|G. 帕德玛·普里娅（G. Padma Priya）|苏巴什里·雷（Subhashree Ray）|Y. 萨西库马尔（Y. Sasikumar）|雷努·夏尔马（Renu Sharma）|阿克马尔·阿比尔卡西莫夫（Akmal Abilkasimov）|埃利奥尔·赛托夫（Elyor Saitov）|多尼奥尔·朱马纳扎罗夫（Doniyor Jumanazarov）|阿西尔·斯梅拉特（Aseel Smerat）

约旦大学药学院药学与制药技术系，安曼，11942，约旦

摘要

锂离子电池（LIBs）的电化学性能从根本上受阳极材料的内在属性控制，尤其是它们的电荷存储能力和传输动力学。在这项研究中，我们利用密度泛函理论（DFT）计算方法，研究了二维铬碲化物（CrTe₂）MXenes的电子和阳极特性，特别是表面终止型的CrTe₂X（X = O, S, F, 和 Cl）单层材料。这些常见的表面终止类型（O, S, F, 和 Cl）在MXenes合成过程中自然形成，并显著影响材料的电化学行为。研究结果表明，CrTe₂O、CrTe₂S、CrTe₂F 和 CrTe₂Cl 单层的锂离子扩散势垒非常低，范围在 0.29 至 0.37 eV 之间，表明它们具有优异的充放电动力学性能。此外，CrTe₂O、CrTe₂S、CrTe₂F 和 CrTe₂Cl 的理论锂存储容量分别为 404.53 mAh.g^-1、397.76 mAh.g^-1、403.25 mAh.g^-1 和 396.36 mAh.g^-1，相应的开路电压（OCVs）分别为 0.79 V、1.05 V、0.85 V 和 0.98 V。这些发现表明，CrTe₂X MXenes 作为下一代锂离子电池的高性能阳极材料具有巨大潜力，结合了高容量、快速离子传输和有利的电压特性。

引言

可充电锂离子电池（LIBs）相比传统储能设备具有显著优势，主要归功于其优越的电化学性能、高能量密度和便携性[1]、[3]。LIBs 的电化学行为和物理特性以及整体效率受到包括阳极、阴极和电解质介质在内的各组分之间复杂相互作用的影响[4]、[5]。阳极在 LIBs 中起着关键作用，因为它在充电过程中作为锂离子嵌入的宿主，从而直接影响循环稳定性和整体能量密度[6]、[7]。由于其高比容量和层状晶体结构，石墨被广泛用作 LIBs 的主要阳极材料。然而，二维 MXenes 材料因其多功能性而受到广泛关注，这促使人们对其在催化应用[8]、[9]、[10]、[11]、电子设备[12] 和储能系统[13]、[14]、[15]中的潜力进行了大量研究。因此，MXenes 有望成为下一代电极材料的变革性候选者，这归功于它们独特的结构特征、可调的表面化学性质和出色的电化学性能[16]、[17]、[18]。铬碲化物（Cr_xTe_y）在学术界和工业界受到了广泛关注，因为它们在常温条件下的化学稳定性很强[19]、[20]、[21]。此外，通过调控合成参数可以控制铬碲化物的不同化学计量比和晶体相[22]、[23]。先前的研究发现，CrTe₂ 单层的压电性能优于基于钼和钨的过渡金属硫属化合物[24]。

通过选择性替代表面终止基团，可以对 MXenes 进行后合成调控，从而对其表面化学进行特定工程化，以适应特定应用[25]、[26]、[27]、[28]。关于表面终止型 MXenes 的各个方面已经进行了大量研究，特别是不同官能团对其结构、电子和电化学性质的影响。例如，通过评估不同的表面终止基团（如 OH、O 和 F），系统研究了 MXenes 的热力学稳定性，研究发现大多数情况下氧终止更为有利[29]。其他研究也类似地报告了在 Ti₃C₂ MXene 中氧终止相对于氟和羟基官能团的优越性[30]、[31]。此外，Bjork 等人对包括 Ti₂C、Nb₂C、V₂C、Mo₂C、Ti₃C₂ 和 Nb₄C₃ 在内的多种 MXene 组成的表面终止进行了全面研究，考察了 O、OH、N、NH、NH₂、S、SH、H、F、Cl、Br 和 I 等官能团对其结构和电子性质的影响[32]。先前也有研究探讨了将原始铬碲化物用作金属离子电池阳极材料的潜力，强调了它们在电化学储能应用中的潜力[33]、[34]、[35]。然而，关于旨在调节电子性质并提升 LIBs 阳极电化学性能的表面功能化铬碲化物的研究仍然相对有限。尽管对 MXenes 作为阳极材料进行了大量研究，但对表面终止型 CrTe₂ 在 LIBs 中的应用进行综合研究仍然不足。为填补这一研究空白，本研究系统探讨了表面终止型 CrTe₂ 单层作为 LIBs 阳极材料的潜力。具体来说，我们研究了 CrTe₂X（X = O, S, F, 和 Cl）配置，以评估它们是否适合用于 LIBs。评估了包括理论存储容量、扩散势垒和开路电压（OCVs）在内的关键性能指标，以阐明表面终止对锂离子传输动力学和电化学行为的影响。这项综合分析旨在为基于 CrTe₂ 的阳极的可调性及其在下一代储能技术中的可行性提供见解。

计算细节

CrTe₂X 单层的几何优化是在 DFT 框架内进行的，采用了 Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）广义梯度近似（GGA）作为交换相关泛函[36]，并结合了 triple-ζ 值极化 def2-TZVP 基组，该基组在 GAUSSIAN09 软件包中实现[37]。为了准确考虑长程分散作用，还加入了 Grimme 的 DFT-D3 校正方案[38]。形成能（E_form）为

CrTe₂X 单层

图 1 展示了 CrTe₂X 单层的最低能量原子排列。在 CrTe₂X 单层中，Cr 原子层被两个 Te 层对称包裹，形成了结构稳定的夹心状配置。表面的未饱和 Te 原子具有悬挂键，这些悬挂键通过官能团（X = O, S, F, 或 Cl）被钝化，从而调节了材料的表面化学和电子性质。

结论

通过第一性原理计算系统研究了二维 CrTe₂X（X=O, S, F, 和 Cl）单层的内在物理化学性质，以评估它们作为锂离子电池阳极材料的适用性。这些 CrTe₂X MXenes 的结构和电子特性得到了系统的分析。所有 X 终止型的单层都表现出金属性，这有利于电子导电性。DFT 计算表明，最低

CRediT 作者贡献声明

奥梅玛·萨利姆（Omayma Salim）：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究、形式分析、数据管理。G. 帕德玛·普里娅（G. PadmaPriya）：撰写 – 审稿与编辑、软件、方法学、研究、概念化。苏巴什里·雷（Subhashree Ray）：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究、形式分析、数据管理。Y. 萨西库马尔（Y. Sasikumar）：撰写 – 审稿与编辑、软件、方法学、研究。雷努·夏尔马（Renu Sharma）：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究、形式分析、数据管理。阿克马尔（Akmal）：

未引用参考文献

[2]。

利益冲突

作者声明没有竞争性财务利益。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可应相应作者的要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢约旦大学提供的慷慨计算资源和财务支持。