锚定在氮掺杂MXene纳米片的高分散氧化铁纳米颗粒作为高性能锂离子电池负极材料

氧化铁（Fe₂O₃）具有较高的理论容量（〜1000 mAh^-1），丰富的资源和环境友好等优点，因此被认为是其中一种最有希望的新型锂离子电池负极材料。然而，Fe₂O₃导电性差和锂离子扩散缓慢等问题将不可避免地导致其容量和低倍率能力较差。更严重的是，Fe₂O₃在脱嵌锂过程中的体积膨胀引起电极粉碎，从而导致其循环稳定性欠佳。为了改善Fe₂O₃的电化学性能，纳米结构的Fe₂O₃ 与各种碳材料复合已经被广泛研究。例如，Fe₂O₃纳米颗粒锚定在石墨烯上可以同时防止纳米颗粒重新团聚和缓冲Fe₂O₃充放电过程中的体积膨胀。此外，石墨烯为Fe₂O₃纳米颗粒提供了高导电性的基底，保证电子的快速传导。受此启发，MXene 作为一种新型的二维材料也因其独特物理和化学性质而被应用于锂离子电池负极复合材料。

近日，广东工业大学闵永刚和蔡俊杰（通讯作者）合成了锚定在皱折的氮掺杂MXene纳米片上的分散良好的氧化铁纳米颗粒（NPs）的纳米复合材料（N–Ti₃C₂/Fe₂O₃）。与普通的多层MXene相比，皱折的N掺杂MXene纳米片具有更大的比表面积和孔体积以及大量的活性位点，可以更好地将Fe₂O₃纳米颗粒均匀地固定在MXene基底上，防止纳米颗粒的团聚以及缓冲体积变化。这种复合材料，同时结合了MXene的高导电性和氧化铁纳米颗粒高锂离子存储能力，因此N–Ti₃C₂/Fe₂O₃复合材料作为锂离子电池负极具有出色的倍率性能，高容量和长循环寿命。相关研究成果以“Highly-dispersed iron oxide nanoparticles anchored on crumpled nitrogen-doped MXene nanosheets as anode for Li-ion batteries with enhanced cyclic and rate performance ”为题发表在Journal of Power Sources上。论文的第一作者为张增耀。

【图文导读】

图一、用无溶剂热分解法直接制备N–Ti₃C₂/Fe₂O₃纳米复合材料的示意图

图二、SEM形貌表征

（a–b）Ti₃C₂T_X的SEM图像；

（c–d）N–Ti₃C₂的SEM图像；

（e–f）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃纳米复合材料的SEM图像。

图三、N–Ti₃C₂/Fe₂O₃纳米复合材料的物性分析

（a-b）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃纳米复合材料X射线衍射图（a）和XPS谱图（b）；

（c-d）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃纳米复合材料N 1s（c）和Fe 2p（d）的高分辨XPS光谱。

图四、N–Ti₃C₂/Fe₂O₃纳米复合材料的TEM分析

（a-c）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃纳米复合材料的TEM图像（a–b）和相应的HRTEM图像（c）；

（d）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃纳米复合材料的STEM图像和元素映射图像（d ₁ –d ₅）。

图五、N–Ti₃C₂/Fe₂O₃纳米复合材料的电化学性能

（a）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃电极的循环伏安曲线；

（b）比较N–Ti₃C₂/Fe₂O₃和Ti₃C₂/Fe₂O₃样品的倍率性能；

（c）在不同电流密度下N–Ti₃C₂/Fe₂O₃的恒电流充放电曲线；

（d）来自不同样品的EIS曲线。

图六、N–Ti₃C₂/Fe₂O₃纳米复合材料的长循环性能

（a）在电流密度为1 A g^-1时的循环性能比较；

（b）在电流密度为2 A g^-1时N–Ti₃C₂/Fe₂O₃复合电极的恒电流放电/充电曲线；（c）在2 A g^-1的电流密度下的相应长循环性能。

【小结】

综上所述，锚定在高度导电的N掺杂MXene纳米片上的分散良好的氧化铁纳米粒子的纳米复合材料拥有比用Ti₃C₂制备的样品更好的电化学性能，主要归因于N–Ti₃C₂的独特皱纹结构具有高的比表面积和氮掺杂增加了整个电极的电子传导性。此外，N–Ti₃C₂纳米片在纳米复合材料中充当隔层，以有效防止纳米粒子的聚集和MXene纳米片的重新堆叠，从而有效缓冲了活性物质的大体积变化。N-Ti₃C₂/Fe₂O₃阳极具有良好的可逆容量和长期循环稳定性，表明N-Ti₃C₂/Fe₂O₃有望成为下一代锂离子电池阳极材料。

文献链接：“Highly-dispersed iron oxide nanoparticles anchored on crumpled nitrogen-doped MXene nanosheets as anode for Li-ion batteries with enhanced cyclic and rate performance”(Journal of Power Sources，2019， DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.227107 )