CEJ：原位生长g-C3N4-Mo基MXene高性能储锂

在所有可用的MXene中，Mo₂CT_x MXene与Mo₂Ga₂C的三元前体包含双A层，具有较高的电化学和热电性能。然而由于前体中M-Ga的牢固键合，很难制备Mo₂CT_x MXene。通常，包含Al的M_{n + 1}AX_n相，例如Ti₃C₂T_x，Nb₂AlC等可以在氢氟酸（HF）中轻松剥离获得MXenes。但是，对于Mo₂CT_x MXene ，没有相应的Al包含的M_n+1AX_n相。因此，Mo₂CT_x MXene的合成仍具有挑战性。据对Mo₂CT_X MXene 的合成研究，在剥离高浓度HF仍然是主要使用的方法。尽管在相关研究中已实现了Mo₂CT_x MXene的制备及其电化学性能的改善，但多层Mo₂CT_x的剥落低度且极长的蚀刻时间限制了其实际应用。此外，长时间的蚀刻引起的表面氧化会影响Mo₂CT_x的独特性能。此外，表面官能团与电解质相互作用，导致不良的副反应。在此背景下，开发增加Mo₂CT_x的剥落并同时形成保护层以避免表面氧化以及减少表面官能团和电解质之间的副反应的简便方法仍然是极富挑战性的。

最近，华东师范大学潘丽坤教授课题组在国际知名学术期刊Chemical Engineering Journal上发表一篇题目为:In-situ construction of g-C₃N₄/Mo₂CT_x hybrid for superior lithium storage with significantly improved Coulombic efficiency and cycling stability的研究论文，本文开发了一种简便的策略，可以从Mo₂CT_x和尿素中制备新型石墨氮化碳/ Mo₂CT_x（g-C₃N₄/Mo₂CT_x）复合物。在设计的结构中，尿素向g-C₃N₄的转化导致Mo₂CT_x的有效剥落，同时在Mo₂CT_x的表面上生成g-C₃N_4，形成保护层以限制表面降解并减少不良的副反应。当将其作为LIBs的负极材料时，合成的g-C₃N₄/Mo₂CT_x表现出改善的锂存储性能，具有显着增强的可逆比容量，更高的初始库仑效率，并且显着提高了倍率性能。

图1. 制备g-C₃N₄/Mo₂CT_x复合物示意图

图2. g-C₃N₄/Mo₂CT_x 的SEM和TEM图谱

图3. g-C₃N₄/Mo₂CT_x高分辨率XPS光谱

图4. g-C₃N₄/Mo₂CO₂优化结构（a）顶视图和（b）侧视图。灰色，蓝色，红色和绿色的球分别表示C，N，O和Mo原子

图5.  g-C₃N₄/Mo₂CT_x的电池性能

图6.（a）g-C₃N₄/Mo₂CT_x 电极的非原位XRD图像（b）在不同状态下相应的放电/充电曲线（c）吸附在g-C₃N₄ / Mo₂CO₂上的Li原子的初始和最优化结构的不同构型。灰色，蓝色，红色和绿色的球分别表示C，N，O和Mo原子

图7. g-C₃N₄/Mo₂CT_x电极的动力学分析

本文通过冷冻干燥和随后的退火工艺制备了g-C₃N₄/Mo₂CT_x复合物。得益于独特的结构，g-C₃N₄/Mo₂CT_x不仅可以提供更多的MXene层来增强锂的存储，还可以缩短电子和离子的扩散长度，从而加速电荷转移并减少电极的极化。此外，g-C₃N₄的原位涂层可以防止Mo₂CT_x的表面官能团直接与电解质接触。因此，g-C₃N₄/ Mo₂CT_x具有良好的循环性能（100圈循环后在0.1 A g^-1时可逆容量为528.5 mAh g^-1），优异的循环稳定性（1800圈循环后在2 A g^-1时为229.6 mAh g^-1）和70.8％的高初始库仑效率。该策略为构建基于MXene的分层结构提供了一种有效的方法，可用于能量存储和其他相关领域。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128349