用于金属离子电池的2D MXene基复合物的调制工程
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详细介绍


【研究背景】

能源危机和环境污染正在推动可再生能源储能设备的进一步发展。锂离子电池(LIB)作为最先进的储能技术,已成为现代电子产品中必不可少的一部分。随着对能量存储设备不断增长的需求,更加注重高能量密度和安全性以及具有足够储备量的低成本,传统的LIB已经达到了极限。因此,利用其他丰富的金属离子(例如Na+,K+,Mg2+,Ca2+和Al3+)的可充电金属离子电池(MIB)与LIB具有相似的结构和工作原理,并且在解决储能方面显示出广阔的应用前景。二维(2D)过渡金属碳化物/氮化物(MXenes)由于其出色的导电性,化学多样性和大比表面积,在电极中显示出极具竞争力的潜在应用。然而,不可控的表面功能化,层间重堆和塌陷的问题严重阻碍了它们的实际应用。为此,非常需要有效的策略来修饰传统的MXene来提高电化学性能。

【成果简介】

最近,北京航空航天大学JianZhou教授和Zhimei Sun教授合作在国际知名学术期刊Nanoscale上发表综述文章,题目为Modulation engineering of 2D MXene-based compounds for metal-ion batteries.文章简要概述了基于2D MXene的过渡金属化合物的调控工程领域中最新的建设性进展。首先,通过嵌入,表面修饰和构造异质结构来修饰传统的MXene。其次,通过精确控制组成元素的原子结构,比例和组成,设计出比MXene更新颖的过渡金属化合物。此外,还介绍了基于MXene的材料未来的挑战和前景。

【图文导读】


图1. (a)MAX相和相应MXene的结构 (b)用LiF/HCl处理的MAX相合成Ti2CTx的示意图(c)Nb4C3Tx的长循环性能,以及在充电/放电循环期间结构变化示意图(d)Nb4C3Tx循环前后的XRD图谱(e)平面间距是循环数的函数。在(f)0,(g)160和(h)1000个循环后Nb4C3Tx的HRTEM图像


表1.
MXene和MXene基材料用于MIB的电化学性能汇总

图2. (a)水平堆叠和(b)垂直排列的Ti3C2TxMXene薄膜中离子传输的示意图

图3.(a)制备CTAB-Sn(IV)@ Ti3C2的示意图(b)Sn @ V2C的电化学性能:(i)倍率性能;(ii)恒电流充放电曲线;(iii)在不同电流密度下的长期循环性能和库伦效率(c)MXene / Si @ SiOx @ C和(d)裸露的Si电极(插图:相应的数码照片),在10C下循环1000次(e)MXene /Si@SiOx@C纳米复合物的制备步骤


图4.
(a)MoS2 / MXene复合物的制备示意图 (b)XRD图谱 (c)MXene@CN异质结构的制备示意图(d)PDDA-BP / Ti3C2纳米片的制备示意图,相应的(e)横截面SEM图像(插图表示絮凝物) (f)TEM图像(插图表示薄膜具有柔韧性和独立性)和(g)HAADF-STEM和元素映射图像 (h)不同电极的充电/放电和 (i)倍率性能(j)PDDA-BP / Ti3C2异质结构电极的长循环性能(k)由两个基于PDDA-BP/Ti3C2电极的SIB为LED供电


图5. (a)通过CVD制备的二维碳化物晶体的示意图。插图显示了α-Mo2C晶体的生长(b)单层Mo2C(顶部)和3nm厚的α-Mo2C晶体(底部) (c)超薄α-Mo2C晶体的光学图像,比例尺20μm (d)HRTEM显示出,钼原子(白点)以hcp结构排列,C原子位于六个Mo原子的中心

图6. (a)通过电子束辐照和加热形成的h-TiC同质外延生长示意图 (b)在(c)室温,(d)500°C和(e)1000°C下沿[001]区域轴从单层Ti3C2Tx获得的原子分辨率STEM图像和原子分辨率STEM图像 (f)该部分的(i)Mo2C,(ii)MoC和(iii)MoC2和ELF的俯视图和侧视图 (g)TiC3单层的结构,锯齿形Ti原子链和正联苯结构单元以及ELF图


图7. (a)在HF通过Mo2AlB2边缘逐步相互作用过程中Mo2B2的原子构型(b)ADF-STEM图像(位于蚀刻腔内)的分离的分层MoB片(左),Mbene片的较高放大倍数和对比度增强的图像(中)以及MBene片的分层区域的结构(右)。Li / Na在二维TiB上的吸附和扩散行为 (c)具有一层Li / Na原子的TiB单层的ELF图 (d)扩散路径和(e)相应的扩散能量




【本文总结】

本文简要回顾了近年来在可充电MIBs中调制具有增强性能的基于MXene电极的研究进展。通过插层、表面修饰或构造异质结构等方法对传统MXene进行了有效的改性,并通过精确控制原子结构、组成元素的比例和组成,设计了超越MXene的过渡金属碳化物/氮化物/硼化物。最近的研究表明,上述策略不仅有利于提高结构稳定性,获得表面可控的二维MXene基材料,而且有利于获得具有足够金属离子容量、安全性和优良充放电性能的高性能电极。本文对二维材料和可再生能源技术的发展具有重要意义。


文献链接:

DOI:10.1039/C9NR08217D


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