材研“1-0” | 王俊杰教授Advanced Science：低温可控合成富氧终端钛基六方MBene

二维材料因其原子级厚度、高比表面积和独特电子结构，在能源存储与转换领域展现出巨大潜力。继石墨烯、MXene之后，MBene作为二维材料家族的新成员，也受到广泛关注。它以过渡金属和硼为主体，兼具优异的导电性和层状结构，有望应用于电池、催化等领域。

然而，MBene的制备并不容易。当前主要通过选择性蚀刻MAB相前驱体中的特定原子层获得。简单来说，就是要像“精准拆解一栋楼”，只移走中间某一层，同时保持主体结构不塌陷。传统正交MAB相中不同原子层之间的化学键差异较小，难以实现精准蚀刻。相比之下，六方MAB相（h-MAB）具有更加明显的化学键各向异性，为制备高质量六方MBene提供了理想前驱体。Ti₂InB₂就是其中的典型代表：其中In原子层化学活性较高、Ti-In键相对较弱，为选择性去除In层创造了条件。但传统高温去合金化方法通常需要约1050 ℃，容易导致六方结构向正交结构转变。能否降低制备温度，同时精准“拿走”In层？这成为制备钛基六方MBene的关键挑战。

针对这一难题，材料学院王俊杰教授团队创新采用ZnCl₂熔盐蚀刻策略，在600 ℃条件下实现了Ti₂InB₂中In原子层的选择性去除。

在熔盐环境中，Cl-和Zn²⁺参与In层的化学反应，使In与Zn形成无序In-Zn合金。这一过程显著降低了In原子的迁移能垒，为In原子“离开”Ti₂InB₂打开了通道，从而在远低于传统方法的温度下实现In层脱除，同时有效避免高温相变。进一步经过四丁基氢氧化铵（TBAOH）插层处理，研究团队成功获得了厚度仅约1.3 nm的氧/氯终端六方TiBT_x MBene（d-TiBT_x）。这一超薄二维材料在锂/钠离子电池中展现出优异性能。在0.1 A g^-1下，其可逆储锂和储钠容量分别达到530和220 mAh g^-1；即使在高电流密度下，仍可分别保持120和52 mAh g^-1的容量，表现出良好的倍率性能。更值得关注的是其循环稳定性：在1 A g^-1下循环1000次后，储锂容量仍达到254 mAh g^-1，容量保持率高达97.7%，展现出优异的长循环稳定性。

这项研究不仅获得了一种性能优异的二维储能材料，更重要的是建立了一种低温、精准的熔盐蚀刻策略，将MBene制备从传统的“高温去除”推进到“低温精准剥离”。

通过熔盐化学与表面终端调控，研究团队实现了氧/氯双官能团TiBTx六方MBene的可控制备，拓展了MBene材料体系，也为钛基二维材料的低温合成及其在先进储能领域的应用提供了新路径。

相关成果以“Engineering Oxygen-Terminated Hexagonal MBene for Accelerated Lithium Migration and Exceptional Lithium-Ion Battery Performance”为题，发表于材料领域权威期刊Advanced Science。论文第一作者为西北工业大学材料学院博士研究生沈清，通讯作者为材料学院王俊杰教授。

图1. Ti₂InB₂与MS-TiBT_x材料的表征。

图2. Ti₂InB₂的蚀刻机理。

图3. 二维TiBT_xh-MBene纳米片的结构表征。

图4. TiBT_x h-MBene负极在锂离子电池中的电化学性能。

图5. 锂原子在二维TiBT_x材料表面的吸附与扩散行为。

图文 | 王俊杰

编辑 | 段慕松

责编 | 苏海军 孙磊

审核 | 禹亮