【导读】

锂硫电池作为一种高能量密度的电池系统，在能源存储领域展现出了巨大的潜力。其核心挑战之一在于硫在充放电过程中的反应动力学缓慢和穿梭效应，这限制了其实际应用。为了克服这些难题，科学家们开发了多种锂硫电池催化剂。锂硫电池催化剂，作为提升电池性能的关键材料，通过降低反应能垒、加快硫的氧化还原反应速率，并有效抑制多硫化物的穿梭效应，从而显著提高电池的循环稳定性和容量利用率。这些催化剂通常具有高的电催化活性和良好的化学稳定性，能够在锂硫电池复杂的电化学环境中保持稳定并持续发挥作用。

近期，中科院过程工程研究所向茂乔研究员团队，通过创新的气相合成方法合成了Cl端MXene(Ti₂CCl₂)，可用于加速多硫化物转化动力学，显著延长Li-S电池的可循环性。本工作通过AXIS Supra⁺ X射线光电子能谱仪对Ti₂CCl₂的表面化学进行了表征研究，相关成果发表在《The Innovation》期刊上（影响因子32.1）。根据百度检索，《The Innovation》位于综合性学术期刊全球排名第三，仅次于《Nature》（英国）和《Science》（美国）。

图1. 期刊首页截图

图2. 摘要译文

▍分析利器

图3. 岛津AXIS Supra⁺型光电子能谱仪

▍研究成果概览

Ti₂CCl₂通过流化床化学气相沉积过程进行制备，图4图解了这一过程。首先，在770℃温度下，将TiCl₃前驱体转移到流化床反应器中，TiCl₃立即升华形成气体前驱体。气体前驱体由Ar气携带至反应器上部区域，与CH₄反应生成Ti₂CCl₂粉末。每批次可高效生产0.1 kg Ti₂CCl₂粉末。

图4. Ti₂CCl₂气相合成示意图

作者通过XPS研究了合成的Ti₂CCl₂粉末中Ti-O的含量。XPS谱图采谱C 1s (284.8 eV)校准，采用洛伦兹-高斯曲线和Shirley背景进行拟合。首先通过XPS全谱分析了气相合成Ti₂CCl₂的元素组成。如图5a所示，材料主要由Ti、Cl、C、O组成。表1列出了本文制备的Ti₂CCl₂样品与文献报道的MXene氧含量对比，本文制备的Ti₂CCl₂样品氧含量约为2.56 At%，均远低于文献报道的其他合成方法合成的MXene结果。样品表面上较低含量的氧可能来自于样品传输过程中的污染，通过氩离子枪刻蚀清洁表面后，氧含量降低至1.31 At%。

图5. 气相合成Ti₂CCl₂的XPS全谱 (a)和Ti 2p (b)精细谱

表1. 文献中的MXene氧含量

通过XPS对比分析了气相合成Ti₂CCl₂和传统蚀刻合成Ti₂CT_x (T = F, OH, O, Cl…)在空气中的氧化情况。图6a、b分别是气相合成Ti₂CCl₂在空气中放置5 h 和24 h后的Ti 2p精细谱，图6c、d分别是传统蚀刻合成Ti₂CT_x在空气中放置5 h和24 h后的Ti 2p精细谱。从图中可以看出，对于传统蚀刻合成Ti₂CT_x，在空气中放置24h后，Ti-O组分明显上升，由21.35 At%上升至38.51 At%。而气相合成Ti₂CCl₂只有轻微的上升，由2.56 At%上升至9.78 At%。即使在空气中经过480 h的长时间放置，如图7所示，气相合成Ti₂CCl₂中的Ti-O组分也只升至14.59 At%。这表明气相合成Ti₂CCl₂的空气稳定性远高于蚀刻合成Ti₂CT_x。此外，作者还通过XPS研究了催化剂与硫电极复合后的状态，发现存在明显的S-Ti键，这与之前文献报道结果一致，表明存在较强的Ti-S相互作用。

图6. 气相合成Ti₂CCl₂在空气中放置5 h (a)和24 h (b)后的Ti 2p精细谱; 传统蚀刻合成Ti₂CT_x在空气中放置5 h (c)和24 h (d)后的Ti 2p精细谱.

图7. 气相合成Ti₂CCl₂在空气中放置480 h后的Ti 2p精细谱.

▍客户心声

中科院过程工程研究所向茂乔老师主要从事高纯、超细特种陶瓷粉体及涂层研究工作，聚焦于碳/氮化钛、氮化硅、氮化铝、氮氧铝、镁铝尖晶石等关键粉体材料，致力于高质量特种陶瓷粉体/涂层的低成本批量化工业生产，助力高质量特种陶瓷粉体的国产化。在谈到这项工作时表示：岛津AXIS Supra⁺型光电子能谱仪的高灵敏度与稳定性保证了数据的测试，为锂硫电池催化剂的研究提供了有力数据支撑，希望有机会继续与岛津合作。

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