S-Ti共价键MXene增强赝电容用于超快储钠

【研究背景】

      钠离子（Na⁺）储能与锂离子(Li⁺)储能具有相似的工作机理，在地壳中丰富的元素含量和低成本等方面的显著优势，使其成为锂离子储能在大规模储能应用领域的理想替代品。但与Li⁺ 的半径相比(0.76 Å)，Na⁺的半径要大得多(1.02 Å)，因此在储能过程中体积膨胀也更大，导致反应动力学迟缓，很难找到合适的宿主材料储存Na⁺。因此，寻找一种新型高效的应用于Na⁺存储的电极材料仍然是必要的。

【成果简介】

       近日，浙江工业大学Weiyang Li教授与陶新永教授合作，报道了一种简单的方法将S原子嵌入到经过十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)预处理的Ti₃C₂ MXene (CT-S@Ti₃C₂)层间。经过表面活性剂CTAB的预处理，S原子通过形成Ti-S共价键的方式成功地嵌入在Ti₃C₂的层间，形成非常理想的层间扩展结构，而未经CTAB处理的Ti₃C₂因表面活性不足而导致S原子很难进行嵌入。当煅烧温度为450℃时，S原子嵌入的Ti₃C₂ MXene电极(CT-S@Ti₃C₂-450)在0.1A g^-1的电流密度下具有550 mAh g^-1的储钠容量，以及在10A g^-1的高电流密度下超过5000次循环的优异的循环稳定性。

        该成果在线发表于Advanced Functional Material: Atomic Sulfur Covalently Engineered Interlayers of Ti₃C₂ MXene for Ultra-Fast Sodium-Ion Storage by Enhanced Pseudocapacitance

【图文导读】

图1 S原子嵌入Ti₃C₂的合成示意图

图2 a) Ti₃C_2, CT- Ti₃C₂和在不同退火温度(250-500°C)下CT-S@Ti₃C₂的XRD图谱；b) Ti₃C₂ c)CT-S@Ti₃C₂ -450的SEM图像；d，e)CT-S@Ti₃C₂-450的TEM图像；f)CT-S@Ti₃C₂-450的STEM图像与相应的Ti、C、S元素分布图g)CT-Ti3C2, CT-S@Ti₃C₂，在不同退火温度(250-500°C)下的S@ Ti₃C₂样品的层间距变化；h,i) CT-S@Ti₃C₂-450的 Ti 2p和 S 2p XPS图谱。

图3 a) Ti₃C₂, CT-Ti₃C₂ 和 CT-S@Ti₃C₂-450电极在0.1 A g^-1的循环性能；b) CT-S@Ti₃C₂-450在不同电流密度下的倍率性能和相应的充放电剖面图；c) CT-S@Ti₃C₂-450与其他报道的高性能碳基和MXene基阳极在不同的电流密度的性能比较；d)CT-S@Ti₃C₂-450在 10 A g-1的长循环性能；e)CT-S@ Ti₃C₂-450电极在不同扫描速率下的CV曲线 ；f)峰值电流与扫描速率的对数关系图，内图：b值计算结果；h)Ti₃C₂和CT-S@Ti₃C₂-450电极的Na⁺扩散系数。

图4 Na⁺吸附的DFT计算及在Ti₃C₂、Ti₃C₂O₂、Ti₃C₂F₂、Ti₃C₂S₂单层俯视部和侧视图的几何结构

图5 a) CT-S@Ti₃C₂-450//AC SIC 扫描速率范围从2 至20 mV s^-1的扫描速率；b) CT-S@Ti₃C₂-450//AC SIC在不同电流密度下1.0–3.8 V电压范围的充放电曲线；c)SIC 在 2 A g^-1 的循环性能；d,e) CT-S@Ti₃C₂-450//AC SIC 的Rgone图。

【本文总结】

      采用高效的表面活性剂CTAB对MXene片层进行预处理，可以促进S原子嵌入到Ti₃C₂  MXene的层间。由于CTAB预表面活化的作用，S原子可以成功地嵌入到MXene的中间层中。当退火温度为450°C时，所制备的CT-S@Ti₃C₂-450电极表现出优异的Na⁺离子存储性能，并表现出优异的MXene基材料储钠性能。DFT计算结合微观结构表征、电化学性能测试和动力学分析表明，CT-S@Ti₃C₂-450在S原子插入后展现出较快的Na⁺储存动力学和大量的活性位点，这是由于S嵌入后所形成的功能化界面以及MXene层间距的扩大。此外，组装的CT-S@Ti₃C₂-450 钠离子电容器即使在高功率密度也能提供高能量密，此外还具有良好的循环稳定性。我们相信，这种硫原子与MXene通过形成共价键的方式，使MXene与电解液界面功能化，进而产生赝电容的复合MXene电极，对于MXene基纳米结构的设计提供了新的思路。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.201808107.

DOI: 10.1002/adfm.201808107

消息源：微信公众号 MXene Frontier