高速率嵌锂新途径：MXene与g-C3N4异质结构

【研究背景】

       电化学电容器和电池是的是当今能源消费时代最重要的能量存储设备，它们不同的电化储能机理影响着各自的能量与功率密度。固态离子扩散进入电极材料的内部可以确保较高的能量密度，但是相对迟缓的动力学特性会导致电极材料具有较低功率以及较长充放电时间。赝电容（Redox pseudocapacitance）主要通过在电极表面发生的快速、可逆的法拉第反应而产生，其优势在于可以像双电层电容器（EDLC）一样，通过电极材料表面的静电吸附作用来储存电荷，在不降低快速动态响应（I-V）的情况下提高较高的能量密度。然而，这种电荷转移仅在电极材料的表面或与电解液形成的界面发生，很大程度上限制了电荷储存的能力。为了进一步提高能量密度，一种比较有效的策略是合成具有明确结构特征的材料（即较大的层间距或离子通道），可以使阳离子（如Li⁺）以高速率嵌入到大部分电极材料中，所具有的插层赝电容的优越性在于，在电荷移动过程中不存在固态离子扩散的限制，可以实现高速率的高容量电荷存储。除了常见的具有较高赝电容的过渡金属氧化物，硫化物和磷酸盐以外，研究者们对设计具有这类插层赝电容的高性能电极材料的产生了浓厚的兴趣。

【成果简介】

       近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授报道了一种石墨相碳氮化物（g-C₃N₄）与Ti₃C₂T_xMxene 杂化形成的一种独特的二维（2D）异质结构，该结构提供了显著的赝电容特性以及超高的储锂稳定性。值得注意的是，即使在120C的高速率下进行测试，充放电速率对赝电容的影响很小，峰电位的偏移也很小，这证明了在这种异质结构中没有明显的扩散限制，也反映出优异的动力学特性。这种优异的快速动力学特性得益于g-C₃N₄ 与 MXene固有的化学界面反应和电子耦合作用，与单纯的MXene相比，可以协同改善并提高电子转移与锂离子扩散动力学。

    该成果在线发表于国际著名学术期刊 Nano Energy 上，题目为：Heterostructured MXene and g-C₃N₄ for high-rate lithium intercalation。

【图文导读】

图1 MXene@CN异质结构示意图。放大部分表示驱动双氰胺分子在MXene表面上自组装的氢键（即 −NH2 •••O−Ti ）

图2 MXene@CN异质结构的: (a) SEM图像;(b)低倍率STEM图像; (c)-(e)高角环形暗场 STEM图像, (e) 与(d)相同的区域在经过长时间的电子辐射之后的STEM图像，经过大约30s的照射后，非晶态区域明显变小; (c) 和 (e) 中的插图对应着MXene的原子结构：青色和深蓝色的原子分别代表着Ti和C原子.(f) N、Ti和C元素的分布情况。

图3 MXene@CN和单纯MXene相的循环伏安曲线 (a), 动力学特征 (b), (c)基于正负极峰电流的线性拟合结果计算b 值，扫描速率从0.1到100mVs^-1异质结构的以及两种电极材料的动力学分析(d)-(e); (f)正极电位变化与两种电极材料的扫描速率的关系。

消息源：微信公众号 MXene Frontier