mxene 学术专题
MXene层间陷域效应实现大倍率，长循环水系锌碘电池
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详细介绍
锌碘转化型电池通过卤素在单质态和离子态的可逆转变进行储/供能，具有低成本和高电压的本征优势。得益于完全的物相转变和电子得失，电池表现出极低的电压衰减特征和平整的放电平台曲线。然而，该体系仍存在许多关键问题拯待解决。单质碘是天然绝缘的，其可逆氧化还原转变的进行必须依赖外部导电载体来传递电子。通常多孔碳材料扮演这一角色。通过CVD，浸渍，吸附等工艺，碘单质活性物质与多孔宿主进行复合。物理性的结合往往导致活性物质在导电载体上的分布不均，主宿体间差的相互作用，以及低效的电子传导。此外，当主宿间亲和力不足以应对反应中多碘化物在电解液中的溶解和穿梭时，电池往往表现出差的循环寿命和恶劣的自放电现象。
【工作介绍】近日，香港城市大学支春义教授，范俊教授联合宁波材料所黄庆研究员课题组利用导电MXene材料作为载体，结合一种新型电化学沉积工艺制备了复合型MXene-I2卤素正极材料，并报道了该材料在水系锌电池体系下的优异电化学性能。碘离子在电场力的驱动下均匀嵌入到MXene材料的纳米层间并在高电位处原位转化为碘单质。多重光谱学表征结合DFT计算模拟揭露了MXene基体对多种碘化物（碘离子，多碘化物，碘单质）的天然亲和性，以及两者间高效的电子转移特性。基于此，MXene-I2//Zn电池表现出优异的转化动力学和抗衰减特性。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。李新亮为本文第一作者。
【内容表述】为了实现碘单质的均匀负载，工艺尤为关键。本文设计一种电沉积工艺，以电解液中碘离子为原料通过原位氧化的方式来实现碘单质在MXene层间的均匀分布。这里选择碘离子而非碘单质的原因是因为其较小的离子半径和匹配施加电场的正电性。
图一：MXene-I2复合电极的合成与表征。a）电沉积工艺流程。b）原始层状MXene材料的SEM照片。c）MXene材料的EDX能谱。d）MXene材料的HRTEM照片。e）MXene-I2复合电极的SEM照片。f）MXene-I2复合电极的EDX能谱。g）MXene-I2复合电极的HRTEM照片。h）XRD谱图。i）Raman谱图。j）I3d xps谱图。
图二：MXene-I2复合电极的电化学性能。a）MXene-I2复合电极和对比样品的CV曲线。b) MXene-I2复合电极在不同扫速下的CV曲线。c）1 mV s-1扫速下电容型贡献示意图。d）不同扫速下电容型/扩散型贡献对比。e) MXene-I2复合电极和对比样品的倍率性能。f）倍率性能对应的充放电曲线。g）电压平台斜率对比。h）电压平台区对能量密度和容量贡献比。i）极化电压对比。
图三：循环稳定性和自放电性能考察。a）MXene-I2复合电极长循环性能。b）不同循环区间对应的充放电曲线。c）循环寿命vs容量保持率对比图。d）电压自衰减曲线和速率。e) Ragone对比图。
图四：机理分析。a）MXene-I2复合电极循环10000次后的SEM照片。b）MXene-I2复合电极循环20000次后的SEM照片。c）带有电压标识的充放电曲线。d）电解液在不同循环状态下的UV-vis谱图。e）MXene-I2复合电极在不同循环状态下的XRD谱图。f）XRD谱图中放大的（002）晶面区。g）MXene-I2复合电极在不同循环状态下的Raman谱图。f) Raman谱图中放大的25-200 cm-1波数区。
图五：DFT模拟。a）MXene晶格示意图以及可能的吸附位点。b）不同吸附位点对碘化物的吸附能。Nb吸附位处最终优化的差分电荷密度模型c）碘离子，d）碘单质，e）碘三离子。f）MXene载体吸附碘化物前后的DOS态密度曲线。
Xinliang Li, Na Li, Zhaodong Huang, Ze Chen, Guojin Liang, Qi Yang, Mian Li, Yuwei Zhao, Longtao Ma, Binbin Dong, Qing Huang, Jun Fan, Chunyi Zhi, Enhanced Redox Kinetics and Duration of Aqueous I2/I−Conversion Chemistry by MXene Confinement, Adv. Mater., 2021, DOI:10.1002/adma.202006897
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