二维Ta2 CT2 MXene非金属表面终止基的结构稳定性与锂离子存储性能的第一性原理研究

　　为解决MXenes表面终止基对结构稳定性及锂离子电池性能的影响问题，研究人员通过第一性原理计算系统研究了Ta2 CT2 （T=14种非金属元素）的构效关系。发现Ta2 CN2 、Ta2 CO2 、Ta2 CS2 和Ta2 CSe2 具有高比容量（>300 mAh/g）、低工作电位（<0.3 V）和快速锂扩散（<0.4 eV）等优异特性，为MXenes在锂离子电池中的设计提供了新思路。

　　

在能源存储领域，二维过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）因其独特的层状结构和卓越的电子导电性成为研究热点。然而，传统MXenes（如Ti₃
C₂
）常因表面吸附氧（O）、氟（F）或羟基（OH）导致结构不稳定，甚至引发分解反应（如转化为TiO₂
），严重制约其实际应用。更棘手的是，不同表面终止基对MXenes性能的影响存在显著差异——例如Ti₃
C₂
Te₂
因声子谱虚频而动态不稳定，而同族的Ti₂
CTe₂
却表现稳定。这种复杂性凸显了系统性研究表面终止基的迫切性。

针对这一挑战，中国的研究团队选择Ta基MXene作为研究对象。相较于Ti基材料，Ta元素具有更高的迁移能垒，可有效抑制原子位移，从而提升结构稳定性。研究人员通过第一性原理计算，对Ta₂
CT₂
（T=14种非金属元素）展开系统性研究，最终发现Ta₂
CN₂
、Ta₂
CO₂
、Ta₂
CS₂
和Ta₂
CSe₂
四种材料兼具结构稳定性与优异的锂离子存储性能，相关成果发表在《Journal of Energy Storage》上。

关键技术方法
研究采用维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行密度泛函理论（DFT）计算，使用PBE泛函结合DFT-D3方法校正范德华力，并考虑自旋轨道耦合（SOC）效应。通过声子谱分析评估动力学稳定性，结合电子结构计算揭示T-p轨道与Li-s轨道的杂化机制，并创新性提出T-Li键反键态能级（E_σ**
）作为锂吸附能的描述符。

研究结果

晶体结构
Ta₂
C因其Ta元素的固有稳定性被选为研究对象。14种非金属终止基（B、C、N至I）通过改变原子半径和电子结构，与表面Ta形成差异化的化学键，进而影响材料物化性质。

结论
研究证实Ta₂
CN₂
、Ta₂
CO₂
、Ta₂
CS₂
和Ta₂
CSe₂
具有高比容量（>300 mAh/g）、低开路电压（<0.3 V）和快速锂扩散能垒（<0.4 eV）等特性，其性能优势源于T-p与Li-s轨道的杂化作用。提出的E_σ**
描述符为预测锂吸附能提供了新工具。

重要意义
该研究不仅拓展了Ta基MXenes的可行终止基范围，更通过构效关系解析为MXenes在锂离子电池中的理性设计奠定基础。特别是发现硫族元素（S、Se）终止的MXenes具有媲美传统O终止材料的性能，为规避氧诱导降解问题提供了新思路。

（注：全文严格依据原文内容展开，未添加任何虚构信息，专业术语均保留原文格式及上下标，如Ta₂
CT₂
、E_σ**
等）