通过静电吸附法合成的MXene/Fe₂O₃复合材料，作为锂离子电池的高性能负极材料

采用静电吸附策略制备MXene/Fe₂O₃复合材料，通过PDADMAC增强界面结合并构建导电网络，解决体积膨胀与导电性差问题，循环稳定性达3500次。

张子伟|隋玉蕾|史志浩|张小平|傅玉桐|吴玲

苏州大学钢铁学院，中国苏州215000

摘要

开发高容量和稳定性的阳极材料对于下一代锂离子电池至关重要。尽管Fe₂O₃具有较高的理论容量，但其实际应用受到循环过程中显著体积膨胀和低电导率的限制。为了解决这些问题，通过一种简单而有效的静电吸附策略设计并制备了MXene/Fe₂O₃复合材料。密度泛函理论（DFT）分析表明，聚二烯基二甲基铵氯化物（PDADMAC）通过其两端的季铵离子有效地锚定在MXene和Fe₂O₃的表面上，从而在两者之间起到有效的桥梁作用。动力学分析显示，MXene的引入建立了高效的导电网络，促进了电荷转移和离子传输。MXene还可以减缓Fe₂O₃的聚集和体积膨胀。因此，最佳的MXene/Fe₂O₃复合阳极在5 A g⁻¹⁻¹

引言

锂离子电池的性能在很大程度上受到其阳极材料性质的影响。目前广泛使用的石墨阳极由于其理论容量仅为372 mAh g^{−1₂O₃因其成本效益、合成方法简单以及多种多晶型而成为研究最广泛的TMO阳极材料之一[3]。然而，尽管其理论容量约为1007 mAh g−1₂O₃ [5]），或与导电材料复合以提高导电性（例如Wu等人使用花生壳模板制备的Fe₂O₃@C复合材料 [6]），以及结构设计以减轻体积效应（例如Xu等人开发的Fe₂O₃-rGO/CNT框架 [7]）。}

MXenes是一类二维材料，其通式为M_n+1X_nT_x（其中M代表Ti、V或Cr等过渡金属；X表示碳或氮；n的范围为1到3；T_x表示表面官能团，包括O、F和OH）。它们是通过对其母体MAX相的A层进行选择性化学蚀刻制备的[8]。MXenes固有的类金属导电性、稳定的层状结构和亲水表面为解决高容量电极材料的导电性和体积膨胀问题提供了有效的方法[10]。目前报道的MXene与Fe₂O₃结合的主要方法包括球磨、水热法和真空过滤辅助的液相法。在这三种常见的复合策略中，水热法因其操作简单和效率高而被广泛采用。一些研究采用直接的水热法在MXene基底上原位生长Fe₂O₃，获得了具有优异循环稳定性的复合材料。Jiang等人使用DMF作为溶剂进行溶剂热反应，同样实现了Fe₂O₃的原位形成[11]。然而，MXene的表面通常由电负性官能团（−T_x）组成，与过渡金属氧化物复合时会导致界面结合力弱，从而难以确保复合电极的长期循环稳定性。为了解决这一界面问题，PDADMAC分子链中的高密度季铵基团（N⁺）可以与带负电的MXene表面和Fe₂O₃纳米颗粒产生强烈的静电锚定作用，从而显著提高界面稳定性。

基于此，本研究采用水热法制备了MXene/Fe₂O₃复合材料，并使用聚二烯基二甲基铵氯化物（PDADMAC）调节材料界面。经过PDADMAC改性的复合材料在5 A g⁻¹

材料

碳化钛铝（Ti₃AlC₂，98％，400目，吉林益益科技有限公司），氢氟酸溶液（HF，40％重量，分析级，江苏永华化工科技有限公司），九水合硝酸铁(III)（Fe(NO₃)₃·9H₂O，分析级，中国国家医药有限公司），尿素（CH₄N₂O，分析级，上海阿拉丁生化科技有限公司），聚二烯基二甲基铵氯化物溶液（(C₈H₁₆ClN)_n，PDADMAC，分子量<100,000，水中含量35％，25℃下100–200 CP）

结果与讨论

通过Zeta电位分析表征了材料的表面电荷特性，所有样品在测量前均分散在去离子水中（固体含量1％重量），并超声处理30分钟。图1a显示了电位分布曲线，图1b显示了平均Zeta电位值，揭示了不同的电荷特性。原始Fe₂O₃呈现负电位−14.6 mV，而PDADMAC改性的Fe₂O₃则显示出完全的电荷反转

结论

总之，我们通过创新的静电吸附策略开发了一种坚固的MXene/Fe₂O₃复合材料，从根本上解决了传统方法中常见的界面粘附力弱（例如物理混合[29]）和MXene氧化（例如水热处理[30]）问题。PDADMAC的引入不仅通过DFT计算验证了组分之间的强静电耦合，还确保了温和的合成条件，保持了MXene的

CRediT作者贡献声明

张子伟：撰写——初稿，研究，概念化。隋玉蕾：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。史志浩：方法学，研究，形式分析。张小平：软件，方法学。傅玉桐：方法学。吴玲：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52574355、52474331、51904194）和姑苏创新创业领军人才（编号ZXL2023196）的支持。