衍生材料储能| Appl. Surf. Sci |MXene衍生TiSe2/TiO2/C异质结复合材料用作钠、钾电池负极性能研究

研究速览

■ 近日，广东工业大学孙志鹏教授，在国际知名期刊Applied Surface Science上发表题为“MXene-derived TiSe2/TiO2/C heterostructured hexagonal prisms as high rate anodes for Na-ion and K-ion batteries”的研究论文。该论文以MXene (Ti3C2Tx )为原相，采用简单的固相烧结法将其衍生成TiSe2/TiO2/C异质结复合材料，并研究了其在钠、钾离子电池中的性能。在该复合材料中，基于TiSe2和TiO2具有不同功函数，能够在其异质结界面诱导成内置电场，从而加速电荷转移，从而展现出良好的倍率性能。同时，被保留下来的碳骨架不仅能提高复合材料的电导率，而且能够在放电/充电过程中为体积应变提供一个缓冲区，从而抑制体积膨胀引起的结构坍塌，实现良好的循环性能。

▉ 研究摘要 ▉

■ 通过从分子/原子水平设计和组装，精准控制材料的尺寸与形貌，进而选择性的调控和增强材料的功能性是制备优异电极材料的有效策略之一。由于MXene在刻蚀的过程中会在表面上引入大量的含氧官能团，这些官能团赋予其具有良好的可调节性，因此能够通过对前驱体的结构设计，来实现对其衍生物结构与形貌的控制。Ti3C2Tx具有较高的活性，能够将其转变成TiSe2或者TiO2，而C元素能保持良好的稳定，保留在衍生物材料中。此外，构建异质结构是改善电极循环特性和速率特性，从而具有较快的电荷转移动力学性能。本研究通过简单的固相烧结方法将Ti3C2Tx转化为TiSe2/TiO2/C复合材料，制备了一种具有异质结结构的新型MXene衍生物新材料。在该复合材料中，具有不同功函数的TiSe2和TiO2可以在异质结界面诱导内置电场，加速电化学过程，从而具有优异的电化学性能。

▉ 研究要点1 ▉

■ 作者将刻蚀的Ti3C2Tx与硒粉混合研磨，然后进行不同温度的热处理。在高温的作用下，熔融态的硒与MXene中的Ti元素发生反应，生成TiSe2。TiSe2晶体沿ab晶面的生长速率迅速，而沿c轴方向生长缓慢，因此形成片层状的六边形结构。而层状Ti3C2Tx表面的含氧官能团说明在MXene刻蚀过程中Ti就与O发生了相互作用，这部分被氧化的Ti倾向于形成TiO2颗粒。此外，这种通过原位转化的方法，使得前驱体中碳骨架得以保留，并能均匀分布在复合材料中。在这种独特的结构中，TiSe2的片层结构有利于钠、钾离子的扩散，提高电化学性能。而与TiO2形成的异质结界面和被保留在复合材料中的碳骨架不仅能提高电子传输速率，还有利于维持电化学反应过程中结构的稳定。

图1. TiSe2/TiO2/C材料的形貌表征

▉ 研究要点2 ▉

■ 作者通过不同制备条件下的钠离子电池性能对比，确定了550℃硒化3h为储钠性能最佳条件。在该条件下TiSe2/TiO2/C复合材料中TiSe2的含量占比最高，层状TiSe2可以在反复的Na+插入/萃取过程中膨胀并分离成更薄的纳米片，这不仅可以产生更丰富的钠离子反应位点，而且可以缩短离子扩散路径。此外，比较了不同样品的阻抗和最小特征弛豫时间常数(τ0)的差异，确定了550℃-3h样品具有最高的电导率，明显优对比样TiO2/C材料。样品550℃-3h具有最高的初始库伦效率77.4%。并且在循环过程中，由于钠离子反复嵌入脱出的剥离作用，使其在循环过程中容量能有一定程度的提升。较高的离子电导率使其即使在10 A g-1大电流密度下仍然保持212 mAh g-1的比容量，性能优于相关的报导的材料。

图2. TiSe2/TiO2/C材料的钠电性能

▉ 研究要点3 ▉

■ 钾离子电池由于其离子半径大，在嵌入脱出过程中具有较高的体积膨胀，容易导致材料结构坍塌，从而导致容量的快速衰减。而作者通过测试发现，TiSe2/TiO2/C复合材料不仅在钠离子电池中表现出优异的性能，而且将其拓展到钾离子电池中也能保持良好的电化学性能。特别是，在电流密度为0.1 A g-1和 1 A g-1的条件下，经过800圈的充放电循环其容量仍分别保持了121 mAh g-1和56 mAh g-1。与相关已报导材料相比，TiSe2/TiO2/C复合材料展现出优秀的电化学性能，说明该材料在钾离子电池具有一定的应用潜力。

图3. TiSe2/TiO2/C材料的钾电性能

▉ 研究总结 ▉

■ 本研究通过简单固相烧结的方法将Ti3C2Tx转化为TiSe2/TiO2/C，制备了一种新型的TiSe2/TiO2/C异质结构组成的MXene衍生物材料。不同功函数的TiSe2和TiO2可以在异质结界面诱导内置电场，加速电化学过程。同时，被保留下来的碳骨架不仅提高了该复合材料的电导率，而且在放电/充电过程中为体积应变提供了一个缓冲区。作为钠离子电池负极材料，TiSe2/TiO2/C在5 A g-1放电1000次后放电容量可达280 mAh g-1，在10 A g-1放电时放电倍率可达212 mAh g-1。此外，钾离子电池测试中，在0.1 A g-1电流密度条件下，TiSe2/TiO2/C经过800次循环后仍能保持121 mAh g-1的容量。本研究开发了一种简易制备异质结构金属氧化物/硒化物的合成方法，促进了MXene衍生物材料在新型电池领域的应用。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154653