二維層狀過渡金屬碳化物和氮化物(MXenes)是近年來發(fā)現(xiàn)的一類新型二維材料，基于其高導(dǎo)電率以及獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，以Ti3C2Tx，V2CTx為代表的MXenes在鋰離子電池以及超級電容器等能源儲存方面得到了越來越廣泛的研究。不過當(dāng)前報(bào)道的MXenes實(shí)際儲能容量均遠(yuǎn)低于理論值，因此進(jìn)一步提高其儲能能力至關(guān)重要。

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室宋禮教授課題組通過鈷離子插層策略，成功設(shè)計(jì)和制備了具有超高儲鋰容量和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的碳化礬 MXene電極材料。該研究通過液相刻蝕手段，在35℃下用HF刻蝕V2AlC MAX相得到了面間距為0.735 nm（小于以往報(bào)道面間距）的V2C MXene，在0.1 A/g的電流密度下表現(xiàn)出686.7 mA h/g 的儲鋰比容量，更加接近于V2C MXene約940 mA h g-1的理論儲鋰容量。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過鉀離子預(yù)插層和鈷離子交換方法，獲得了面間距擴(kuò)大為0.952 nm的V2C MXene。同步輻射X-ray吸收譜分析證實(shí)了這種Co插層MXene層與層之間具有穩(wěn)定的V-O-Co鍵，其中二價(jià)鈷離子主要存在于V2C內(nèi)部層間，三價(jià)鈷離子主要存在于近表面的層間， 并最終計(jì)算了V2C中鈷離子的平均化合價(jià)為+2.12。由于插層鈷離子贗電容的貢獻(xiàn)以及V-O-Co鍵的形成，該插層材料表現(xiàn)出1117.3 mA h/g的儲鋰放電比容量，并且經(jīng)15000圈的循環(huán)充放電之后幾乎沒有容量衰減。進(jìn)一步將V2C@Co電極作為正極與石墨烯負(fù)極組裝成鋰離子電容器并同樣展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。這一研究工作基于同步輻射軟線和硬線的X-ray吸收譜技術(shù)，不僅有效地解析了插層離子在MXene層間的存在形式，同時(shí)也為理解二維電極材料的能量存儲和轉(zhuǎn)化機(jī)制提供了一種有力的檢測手段。

相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201802525）上。