3D空心结构MXene@MOF衍生物用于锂电负极

【研究背景】
    锂离子电池虽然在能量密度方面还没有达到预期高度，但已经在可穿戴电子，电动汽车以及储能电网等领域有着广泛地应用。研究者们已经在新材料的研发上取得了一定的进展，在获得高储能能力的同时不降低功率密度与循环稳定性。二维材料因其较高的面积体积比，快速的电子转移以及优化的离子扩散通道，对电化学反应动力学十分有利，被认为是比较理想的电极材料。尤其是MXene，作为二维材料的典型代表，具有一些独特的优势，如金属导电性，较低的锂离子扩散势垒，以及在离子嵌入脱出的过程中可以忽略的体积变化。然而，MXene在锂电中的应用被其相对较低的理论容量所限制(320 mAh g-1)。此外，有MXene纳米片层间的范德瓦尔兹作用与氢键而造成的重堆积问题，会导致严重减少的可接触面积，导电性与活性位点，进而影响储能能力。将2D纳米片设计成3D空心结构是减轻重堆积问题的一个比较有效的方式。

【成果简介】

   最近，南京工业大学孙庚志教授课题组在国际知名学术期刊Small上发表一篇题目为：Electrostatically Assembling 2D Nanosheets of MXene and MOF-Derivatives into 3D Hollow Frameworks for Enhanced Lithium Storage的研究论文，该研究通过简单可控的方式，将负电性的2D MXene纳米片与由ZIF-67衍生的正电性的层状双金属氢氧化物，通过静电自组装的方式复合在3D的空心结构中。经过退火处理，过渡金属氧化物@MXene (CoO/CoMo3O8@MXene)复合空心电极应用于锂离子电池中，CoO/CoMo3O8纳米片可以阻止MXene的重堆积并提供超高的储锂性能。同时，MXene纳米片可以形成3D的导电网络并具有机械稳定性，进而促进在界面中进行快速的电子转移，以及限制内部的CoO/CoMo3O8的体积膨胀。这种空心结构提供了947.4 mAh g-1的可逆容量，卓越的倍率性能以及良好的循环稳定性。
 
【图文导读】

图1. TMOs@MXene合成方法示意图

图2. 空心结构CoMo LDH的SEM和TEM图像；MXene, CoMo LDH以及CoMo LDH@MXene的Zeta电位；3DCoMo LDH@MXene电极的SEM，TEM以及Raman图像。

图3. CoO/CoMo₃O₈@MXene的形貌与物理表征：SEM，TEM，HRTEM, mapping，Raman图像。

图4. CoO/CoMo₃O₈@MXene复合电极的电化学性能表征。

图5. CoO/CoMo₃O₈@MXene复合电极的容量贡献与动力学分析。

【本文总结】

     本文通过一种简易的静电自组装方式成功地合成了MXene纳米片与MOF衍生LDH纳米片复合空心结构。在这种结构中，MXene纳米片具有杰出的导电性和可忽略的体积变化，而TMO纳米片增强了复合物的储锂性能。分层的结构防止了二维纳米片的重堆积，进一步提升了电化学动力学，为离子的快速传输提供了足够的孔径和开阔的传输通道，这种独特的结构为2D纳米片基空心材料的制备提供了新思路。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/smll.201904255.