具有稳定氟界面2D磷烯/MXene高效储钠

【研究背景】

      钠离子电池(SIBs)是一种新兴的可替代的可充电电池系统，因其具有较低的成本、丰富的钠元素的储量以及与锂离子电池相似的插层化学。然而，对于一般的电极材料来说，Na⁺更大的离子半径不仅限制了其移动更会导致严重的结构膨胀。在众多的储钠电极材料中，磷(P)基于合金化反应：3Na+P⇌Na₃P因而具有最高的理论容量：~2600 mAh g^-1。磷主要有三种同素异形体，包括白磷，红磷和黑磷。通常情况下，白磷具有最高的反应活性但对人类身体也具有致命的毒性，因此不适合作为一种电极材料。红磷作为钠电负极材料已经被广泛研究，其较低的固有电导率以及较低的离子扩散速率限制了快速充放电性能以及应用于电池时的循环寿命。黑磷是热力学最稳定的和最高导电性的同素异形体。尤其是，块状黑磷可以被剥离成2D层状纳米片（被称之为磷烯），利用了2D结构材料应用于储能的优势，如较短的离子扩散路径，更大的面积体积比和较多的活性位点。然而就像大多数2D材料一样，磷烯也会经历严重的重堆叠问题，此外，在合金化和去合金化过程中造成的较大的体积膨胀，会破坏磷烯的电极结构进而影响电池性能。

    为了解决上述问题，复合其他互补的2D材料是一种有效的方式。MXenes是一种新兴的2D层状过渡金属碳化物/氮化物，具有较高的导电性，良好的弹性以及超高的亲水性。MXenes杰出的导电性使电子和碱金属离子成为半导体或非导电电极材料（如金属氧化物、硅、磷）理想的互补材料。因此，将磷烯与2D MXene纳米片复合，是解决严重的重堆叠问题的一种有效方式。

【成果简介】

最近，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授与Hao Liu教授合作，在国际知名学术期刊ACS Nano上发表题目为：Boosting Sodium Storage in Two-Dimensional Phosphorene /Ti₃C₂T_x MXene Nanoarchitectures with Stable Fluorinated Interphase 的研究论文。该论文通过原位形成氟化界面，使黑磷/MXene复合负极可以稳定且快速储钠。将磷烯纳米片与Ti₃C₂T_x MXene复合不仅可以促进电子与钠离子的转移，还能够限制结构膨胀，进而提升复合电极的循环性能，在0.1 A g^-1的电流密度下可达到535 mAh g^-1的可逆容量，与此同时，在1 A g^-1的高电流密度下，经过1000次充放电循环，可以保留初始容量的87%。

【图文导读】

图1. 复合电极的合成过程示意图以及微观形貌表征：SEM, TEM，HRTEM,STEM和mapping。

图2. 复合电极与对比样品的XRD，Raman和XPS图谱。

图3.  复合电极的电化学性能测试：CV，GCD，循环稳定性，倍率性能以及高电流密度下的循环性能。

图4.  复合电极的深入XPS分析与交流阻抗图。

图5. 对复合电极和对比样品对钠的吸附与扩散的理论计算。

【本文总结】

综上所述，该论文使用了高导电性的所制备的Ti₃C₂T_x与高容量的磷烯复合作为高性能钠离子电池的负极材料。实验探究和理论计算证明了Ti₃C₂T_x MXene在2D异质结构中不仅可以缓冲磷烯的体积膨胀，还可以促进钠离子的扩散。除此之外，对循环的电极进行深入的XPS分析表明MXene的氟基官能团通过形成富含氟的SEI膜，进而稳定循环性能并改善库伦效率。证明了具有官能团的无机2D材料可以有效调节SEI膜并促进电池的电化学性能。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c00177

信息来源：MXene Frontier