锂硫电池因其高能量密度（2600 Wh kg⁻¹）和低成本被视为下一代储能技术的理想选择，但其实际应用长期受限于多硫化物的“穿梭效应”和缓慢的氧化还原动力学。吉林师范大学物理学院联合中科院金属研究所团队提出了一种基于MXene量子点与碳纳米管（CNTs）复合的新型阴极材料（Ti₃C₂ QDs@CNTs），通过独特的双向催化机制显著抑制多硫化物扩散并加速反应动力学，为高性能锂硫电池的设计开辟了新路径。
突破性设计：量子点与碳纳米管的协同效应
研究团队采用水热-超声联合法，将尺寸仅几纳米的Ti₃C₂ QDs均匀负载于高导电碳纳米管表面（图1）。这种设计结合了量子点的强化学吸附能力和碳纳米管的三维导电网络，为硫物种的锚定和转化提供了双重保障。透射电镜（TEM）和元素分布分析（图2）显示，Ti₃C₂ QDs以1.86 Å和2.16 Å的晶面间距均匀分布于CNTs表面，形成丰富的微孔/介孔结构，比表面积达236.7 m² g⁻¹，是纯碳纳米管的两倍以上。这种结构不仅有效固定多硫化物，还为锂离子和电子的快速传输提供了通道。
图1：Ti3C2QDs@CNTs复合材料制备示意图
图2：Ti3C2QDs、Ti3C2QDs@CNTs复合材料的TEM图及元素分布图
关键发现：动态活性位点与双向催化机制
1. XPS揭示钛物种的氧化还原动态演化
通过不同充放电电位下的XPS分析（图3），研究团队首次揭示了Ti³⁺和Ti⁴⁺物种在催化过程中的关键作用。放电过程中，Ti³⁺含量从14.8%增至26.7%，促进Li₂S的快速成核；充电时，Ti⁴⁺含量回升，加速Li₂S的解离。同时，S 2p谱中Ti-S键的强度变化（放电时占比24.4%，充电时降至15.8%）表明量子点与多硫化物间存在强化学吸附，进一步抑制了穿梭效应。
图3：Ti³⁺/Ti⁴⁺动态变化及Ti-S键强度随充放电状态演变
2.原位拉曼光谱验证反应路径
原位拉曼光谱（图4）显示，Ti₃C₂ QDs@CNTs电极在充放电过程中，多硫化物（Li₂S₆、Li₂S₄）的特征峰强度显著低于传统CNTs电极，且峰位偏移更小，表明量子点催化加速了多硫化物的液相转化，减少了中间产物的积累。此外，Li₂S的成核峰出现时间提前至1432 s（CNTs电极为2880 s），进一步证实了催化活性的提升。
图4：Li₂S₆在Ti₃C₂ QDs@CNTs和CNTs电极上的快速转化动力学
卓越性能：高容量与长循环寿命
电化学测试表明，Ti₃C₂ QDs@CNTs/S电极在0.1 C电流密度下初始容量达1450.3 mAh g⁻¹，2 C倍率下仍保持620.96 mAh g⁻¹（图5）。经过500次循环后，每圈衰减率仅0.121%，远优于传统CNTs/S电极（0.157%）。即使在高硫负载（5.2 mg cm⁻²）和低电解液用量（E/S=10:1）条件下，电极仍表现出620.11 mAh g⁻¹的高可逆容量，展示出优异的工程化潜力。
图5：不同倍率下的放电曲线及长循环性能对比
创新价值与应用前景
该研究首次将MXene量子点引入锂硫电池阴极，通过“双向催化”机制同步优化硫的氧化和还原动力学，解决了传统碳材料吸附能力不足和催化活性低的瓶颈问题。团队提出的水热-超声复合制备方法工艺简单、可扩展性强，为大规模生产高性能锂硫电池材料提供了新思路。未来，该技术有望应用于电动汽车、无人机等对高能量密度储能设备需求迫切的领域。
相关研究成果以“Ti₃C₂量子点@碳纳米管复合阴极材料实现锂硫电池双向催化转化”（Ti3C2QDs@CNTs with Active Titanium Species as BidirectionalCatalytic Cathode for Facilitating Lithium Polysulfide Conversion in Li–S Batteries）为题，发表于《Advanced Functional Materials》期刊。
吉林师范大学物理学院研究生陶肖、戚聿杰为论文的第一作者，鲁铭、王丽以及中国科学院金属研究所张炳森研究员为该论文的通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202420532
MXene材料联合实验室“The joint laboratory of MXene Materials”，于2023年获得吉林省教育厅、吉林省工业和信息化厅立项建设。现有在职科研人员20人，包括：正教授/正高级实验师4人、副教授8人、中级8人；在读博士研究生4人，硕士研究生20人。
团队聚焦MAX/MXene系列材料创新制备、结构解析、微结构调控和功能应用开发。创新实现MAX相陶瓷材料的纳米化，开发了无氟绿色的MXene可控制备技术，揭示了MXene层间环境与离子插层储能相互作用机制，提出了理性设计MXene基离子插层电极规则，优化了MXene作为电化学电极材料的功能应用，构筑了MXene基新概念离子电池储能体系。发表SCI收录论文100余篇，授权专利10余项，承担MAX/MXene材料相关科技项目16项，企业横向课题4项，获吉林省自然科学二等奖1项，三等奖1项，已实现MXene粉体、薄膜、气凝胶、量子点等相关产品规模化生产，相关产品已注册商标，MAX/MXene材料系列产品产品远销新加坡、日本、德国等国家，累计为属地企业创造产值1000余万元。
未来联合实验室将持续深入推进教育、科技、人才、产业融合协同创新，创新科研主体模式。基于高校“人才链”突破MAX、MXene材料专利壁垒，融合属地新材料企业“产业链”，探索材料体系“创新链”，借助企业“资金链”开发MAX、MXene材料功能应用价值，以高水平新材料科技创新赋能区域经济高质量发展。
