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【MXene专题】高储钠性能的3D大孔MXene骨架

2D过渡金属碳化物和氮化物(MXene)因其在能源存储领域(电化学电容器、锂离子、钠离子电池以及锂硫电池)表现出的性能优势,使其关注度与日俱增。然而,MXene纳米片的堆叠和聚集特征,限制了其性能的发挥。

为了充分发挥其性能优势,人们寻求了许多策略,例如引入夹层隔层和多孔结构。相关的研究表明,在MXene纳米片产生中孔之后,锂离子的存储容量增加了四倍。基于密度泛函理论计算,MXene的层间距离扩大可以实现稳定的多层Na离子吸附,从而显着提高其理论容量

【MXene专题】高储钠性能的3D大孔MXene骨架

图1. (a)上述处理的PMMA球体的SEM图像, (b)Ti3C2碎片的TEM图像, (c)Ti3C2Tx/PMMA混合物和(d)中空Ti球体在去除PMMA后的SEM图像, (e)中空TI球体和(f)MXene层的TEM图像.

【MXene专题】高储钠性能的3D大孔MXene骨架图2. 3D大孔MXene薄膜电极用于钠离子存储时在0.1mV/s下的CV曲线(a)和倍率曲线(b); (c)3D Ti 薄膜电极在不同电流密度下的充放电曲线; (d) 3D MXene薄膜电极与其他报道的材料的容量比较; (e)3D MXene大孔薄膜电极在2.5C下的循环性能.

 

鉴于此,德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授课题组采用牺牲球形聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板的方法将2D过渡金属碳化物(MXenens)转化为3D大孔骨架。将其应用于钠离子存储方面,表现出极佳的电化学性能。

与此同时,为了展示这种制备方法的普适性,作者同时制备了三种结构类似的MXene材料(V2CTx,Mo2CTx和Ti3C2Tx大孔薄膜):在0.2C下,Mo2CTx、Ti3C2Tx和V2CTx的可逆容量分别为370mAh/g、330mAh/g和340mAh/g;即使在25C的超高倍率下,三者依然可以输出125mAh/g、120mAh/g和170mAh/g的容量。

合成步骤:

Ti3C2Tx空心球的制备:将Ti3C2Tx胶体溶液(2mg/mL)和PMMA球分散体(10mg/mL)直接混合在一起,保持搅拌10分钟。 Ti3C2Tx与PMMA球的质量比控制在1:10。然后将混合物以3500rpm离心10分钟,固体残余物用蒸馏水洗涤,并以3500rpm再次离心10分钟。之后,收集固体沉淀物,并在60℃下真空干燥10小时,得到Ti3C2Tx/PMMA混合球体。然后将这些球体在450℃,氩气下退火1小时以除去PMMA,留下Ti3C2Tx空心球体。

3D大孔MXene薄膜的制备:Ti3C2Tx与PMMA球的质量比控制在1:4。然后将混合物超声处理10分钟,以确保Ti3C2Tx碎片和PMMA球体均匀分散。之后,将混合物通过聚丙烯膜(3501 Coated PP, Celgard LLC, Charlotte, NC)过滤,得到薄膜。将其在空气中室温下干燥10分钟,并从聚丙烯膜上剥离,得到柔性免支撑的Ti3C2Tx/PMMA混合物薄膜。最后在氩气下450℃退火1小时以除去PMMA,留下大孔Ti3C2Tx薄膜。通过改变所用的Ti3C2Tx碎片的量来控制薄膜厚度。通过类似的方法制备具有不同Ti3C2Tx/PMMA质量比的3D大孔Ti3C2Tx薄膜,V2CTx和Mo2CTx薄膜。

参考文献:

Meng-Qiang Zhao, Xiuqiang Xie, Chang E. Ren, Taron Makaryan, Babak Anasori, Guoxiu Wang, and Yury Gogotsi, Hollow MXene Spheres and 3D Macroporous MXene Frameworks for Na-Ion Storage, Adv. Mater. 2017, 1702410, DOI: 10.1002/adma.201702410.

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