氮化Mo2N MXene的各向异性嵌锂机制与电化学稳定性的原位研究

二维过渡金属碳化物或氮化物（MXenes）凭借其独特的层状结构、可调控的表面基团以及优异的化学组成，在能源存储、电磁屏蔽、催化及生物医药等领域展现出巨大的应用潜力。尽管研究前景广阔，但MXene材料在实际应用中仍面临诸多固有挑战，例如层间重叠、环境稳定性差、容量受限以及表面活性基团引发的寄生反应等。为了克服这些局限性并开发新特性，研究人员开始关注MXene衍生材料，特别是通过氮取代碳工程制备的2D过渡金属氮化物。这些衍生物在保留原有骨架完整性的基础上，展现出更优异的本征电导率、结构稳定性和电化学电荷转移速率。

但目前对于这类层状金属氮化物的结构演变及嵌锂机制的理解仍然非常有限。主要瓶颈在于缺乏深入的原位表征研究，使得合成过程中控制结构演变的原子尺度机制以及这些机制如何决定电化学行为尚不明晰。例如，虽然已知氮化过程会诱导结构变化，但空位生成的定量分析及其对离子迁移势垒的动态影响仍需借助的原位表征手段来揭示。这种知识空白在很大程度上限制了高稳定性、高性能电极材料的理性设计。因此，通过集成同步辐射光谱、原位透射电镜和理论计算，建立从原子配位到宏观形貌演变的多尺度分析框架，已成为当前该领域需要解决的关键课题。

针对上述问题，由中国科学技术大学、安徽大学及浙江光电子研究院等机构组成的联合研究团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了系统研究，团队通过单步氮化策略在Mo2C MXene中成功引入钼空位，并利用同步辐射光谱与原位透射电镜技术直接观测到Mo2N在充放电过程中仅沿c轴单向膨胀24%的各向异性体积演变特征，从而揭示了其循环1000圈后容量保持率高达92.48%的稳定性机制。

研究团队采用一种精密的一步氮化策略，成功将Mo2C MXene转化为具有钼空位缺陷的层状Mo2N衍生材料。通过同步辐射X射线吸收精细结构谱学分析发现，氮化过程诱导了材料原子结构的深度重组，使得Mo-Mo配位数从6.1显著降低至4.8，定量证实了钼空位的生成。这种结构继承性与空位工程的结合，不仅保持了原有的二维层状骨架，还利用高电性氮原子取代碳原子，显著提升了材料的本征电导率与抗氧化能力，为后续的高性能储锂研究奠定了坚实的物质基础。

图1 展示了二氮化二钼的合成过程与结构表征分析

为了从纳米尺度实时观察电极材料在充放电过程中的结构演变，研究人员利用了泽攸科技的TEM原位测量系统对Mo2N电极进行了动态表征。TEM原位测量系统的纳米级操纵能力确保了电极接触的精准性，实时影像清晰记录了材料在嵌锂过程中呈现出的各向异性体积演变特征，即膨胀高度局限在垂直于二维层面的c轴方向，而面内方向几乎无变化。实验数据表明，Mo2N在放电时的单向膨胀率仅为24%，远低于传统氮化物电极的各向同性剧烈膨胀，这种由TEM原位测量系统直接捕捉到的形态演变规律，为理解材料的超长循环寿命提供了最直观的实验支撑。

图2 展示了二氮化二钼与二碳化二钼的电子结构及局部配位环境分析

图3 展示了二氮化二钼与二碳化二钼电极的电化学性能及锂离子扩散动力学分析

通过密度泛函理论计算与实验数据相互验证，研究深入探讨了钼空位对锂离子迁移扩散的影响路径。结果显示，氮化诱导的钼vacancies不仅提供了额外的活性位点以缓解机械应力，更有效地降低了锂离子的迁移能垒。定量分析指出，Mo2N的锂离子扩散能垒由Mo2C的0.1584 eV降低至0.1525 eV，且不同扩散步长间的能量波动极小，仅为0.0124 eV。这种扩散动力学的显著优化，使得材料在5 A/g的高电流密度下依然能保持35.33%的容量，从理论层面解释了其的倍率性能。

图4 展示了二碳化二钼与二氮化二钼的表面吸附行为及环境稳定性分析

得益于结构继承、空位工程与电子结构优化的协同作用，Mo2N在长达1000次的循环测试后仍能实现92.48%的电荷容量保持率，展现出超越多数钼基能源材料的稳定性。此外，研究还评估了材料在真实存储环境下的稳定性，发现Mo2N对水分与氧气的吸附能明显提高，使其在暴露于空气30天后仍能保持稳定的价态，有效抑制了表面重构与性能衰减。这种兼具高比容量、高循环稳定性和优异环境稳健性的性能表现，确立了层状氮化钼作为下一代长寿命锂离子电池阳极材料的竞争优势。

图5 展示了二氮化二钼电极在循环过程中的原位结构演变与尺寸变化情况

JEOL双倾探针杆

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。