Mg与Na在硫官能化MXenes上吸附的稳定性

由过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）组成的二维材料有望革新能量转换与存储。本工作中，我们使用密度泛函理论（DFT）研究了Mg和Na吸附原子在五种M$_{2}$CS$_{2}$单层（其中M= Mo、Nb、Ti、V、Zr）上的吸附，以用于电池应用。我们通过计算吸附能、形成能以及作为表面覆盖度函数的电压，评估了吸附原子（即Na和Mg）-单层体系的稳定性。例如，我们发现Mo$_{2}$CS$_{2}$无法支撑满层Na，甚至无法支撑单个Mg原子。Na和Mg在Zr$_{2}$CS$_{2}$上结合最强，其次是Ti$_{2}$CS$_{2}$、Nb$_{2}$CS$_{2}$和V$_{2}$CS$_{2}$。使用微动弹性带方法（NEB），我们计算了稀浓度和近满离子表面覆盖情形下的有前景的扩散势垒。在稀离子吸附情形下，Ti$_{2}$CS$_{2}$上单个Mg和Na原子在最低能量位点间分别经历$\sim$0.47 eV和$\sim$0.10 eV的扩散势垒。对于近满表面覆盖，Ti$_{2}$CS$_{2}$上移动的Na离子经历$\sim$0.33 eV的能垒，意味着浓度依赖的扩散势垒。我们的分子动力学结果表明，Ti$_{2}$CS$_{2}$两表面上的三（一）层Mg（Na）离子在T=300 K下保持稳定。而根据电压计算，Zr$_{2}$CS$_{2}$可存储多达三原子层的Na，但我们的MD模拟预测由于Na离子与单层间相互作用弱，最外层会从Zr$_{2}$CS$_{2}$单层脱离。这表明MD模拟对于确认离子-电极体系稳定性至关重要——这是先前研究中大多缺失的见解。