合理設(shè)計(jì)高效的催化劑是促進(jìn)鋰氧（Li-O₂）電池中氧電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵。

基于此，成都理工大學(xué)舒朝著教授（通訊作者）等人用水熱法制備了N摻雜Ti₃C₂ MXene (N-Ti₃C₂(H))作為高效的鋰氧電池催化劑。N摻雜增加了N-Ti₃C₂(H)的無序度，提供了豐富的活性位點(diǎn)，有利于放電產(chǎn)物L(fēng)i₂O₂的均勻形成和分解。

此外，密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，N的引入可以有效地調(diào)節(jié)Ti在N-Ti₃C₂(H)中的3d軌道占據(jù)，促進(jìn)Ti 3d軌道與O 2p軌道之間的電子交換，加速氧電極反應(yīng)。

通過DFT計(jì)算了O₂、LiO₂、Li₂O₂和(Li₂O₂)₂在Ti₃C₂、N-Ti₃C₂(A)和N-Ti₃C₂(H)上的吸附構(gòu)型及氧電極反應(yīng)的自由能圖。其中，OER和ORR的速率限制步驟分別為(Li₂O₂)₂團(tuán)簇的分解((Li₂O₂)₂^* → 2(Li⁺ + e^?) + Li₂O₂^* + O₂)和Li₂O₂的生成(3(Li⁺ + e^?) + LiO₂^* ? 2(Li⁺ + e^?) + Li₂O₂^*)。

結(jié)果表明，N-Ti₃C₂(H)具有合適的吸附能和對O₂的電荷轉(zhuǎn)移數(shù)，表明其具有良好的電催化活性。投影態(tài)密度（PDOS）圖表明，N-Ti₃C₂(A) (0.95 eV)和N-Ti₃C₂(H) (0.17 eV)的帶隙比Ti₃C₂ (1.18 eV)要窄，N-Ti₃C₂(H)的Ti 3d軌道受到表面摻雜N的有效調(diào)節(jié)，表明N-Ti₃C₂(H)的電導(dǎo)率有所提高。

此外，還通過晶體軌道哈密頓布居（COHP）分析研究了Ti-O鍵的成鍵和反鍵態(tài)。與Ti₃C₂相比，N-Ti₃C₂(A)和N-Ti₃C₂(H)的Ti-O反鍵態(tài)向更高的能級(jí)發(fā)生位移，并且N-Ti₃C₂(A)反鍵態(tài)的位移程度低于N-Ti₃C₂(H)，這表明N-Ti₃C₂(H)中Ti和O原子之間存在較強(qiáng)的耦合。

N摻雜可以有效地調(diào)節(jié)Ti 3d軌道占據(jù)，增加Ti³⁺的含量，而Ti³⁺可以在從O₂中接受電子的同時(shí)將電子轉(zhuǎn)移到O₂上，這有利于促進(jìn)O₂的活化。

Adjusting the 3d Orbital Occupation of Ti in Ti₃C₂ MXene via Nitrogen Doping to Boost Oxygen Electrode Reactions in Li-O₂ Battery. Small, 2022, DOI: 10.1002/smll.202206611.

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