研究速覽

■?近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王振波教授課題組與華僑大學(xué)闕蘭芳課題組，在國(guó)產(chǎn)知名期刊Nano-Micro Letters上發(fā)表題為“Tailoring Nitrogen Terminals on MXene Enables Fast Charging and Stable Cycling Na?Ion Batteries at Low Temperature”的研究論文。該論文首次采用層間限域策略在Ti3C2 MXene層間實(shí)現(xiàn)N基團(tuán)調(diào)控。通過密度泛函理論（DFT）驗(yàn)證N基團(tuán)的引入使Ti3C2具有較大的層間距，誘導(dǎo)表面電荷再分配，增強(qiáng)了電導(dǎo)率和提供了額外Na+吸附位點(diǎn)。此外，Ti3C2-Nfunct不僅具有較低的鈉離子擴(kuò)散能壘和電荷轉(zhuǎn)移活化能，而且在低溫下表現(xiàn)出Na+-溶劑共嵌入行為，從而避開了較高的脫溶劑能壘。所合成的Ti3C2-Nfunct較原始Ti3C2,低溫下表現(xiàn)出近兩倍的儲(chǔ)鈉容量，優(yōu)異的快充倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?隨著在極地、深空、高緯度高海拔地區(qū)和軍事、航空等技術(shù)領(lǐng)域地發(fā)展，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、高低溫性能優(yōu)異的儲(chǔ)能器件具有重要研究?jī)r(jià)值。憑借低成本和良好的低溫性能，鈉離子電池在儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。然而，負(fù)極緩慢的動(dòng)力學(xué)特性和嚴(yán)重的枝晶生成阻礙了低溫下鈉離子電池的應(yīng)用。MXene憑借其高電子/離子傳輸能力、層狀結(jié)構(gòu)及化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是一種具有良好應(yīng)用前景的負(fù)極材料。然而，MXene不利的表面基團(tuán)抑制離子的傳輸及電荷存儲(chǔ)能力；此外，表面基團(tuán)影響枝晶的生長(zhǎng)。

鑒于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王振波教授課題組與華僑大學(xué)闕蘭芳課題組報(bào)道了一種層間限域策略（interlayer confined strategy），合成了一種具有表面N基團(tuán)的Ti3C2 MXene（Ti3C2-Nfunct）。通過Ti3C2層間預(yù)嵌入CTAB分子，在隨后熱驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)層內(nèi)基團(tuán)的調(diào)控。在所合成的Ti3C2-Nfunct中，Ti3C2-Nfunct在低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鈉能力。在-25℃、電流密度為0.5 A g-1的情況下，充電18 min獲得了80%的容量，且循環(huán)5000次后容量保持率仍有80.9%?；贒FT計(jì)算，證實(shí)了Ti3C2-Nfunct性能的提高源于電荷重分配和獨(dú)特的Na+擴(kuò)散能壘的降低。

Part2

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?作者將十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為氮源，在溶液中預(yù)先嵌入Ti3C2層間，隨后在氬氣條件下，熱誘導(dǎo)使CTAB在Ti3C2層間原位分解；熱驅(qū)動(dòng)下發(fā)生N基團(tuán)的取代，實(shí)現(xiàn)表面N基團(tuán)調(diào)控。這種調(diào)控過程并沒有改變Ti3C2原有的晶體結(jié)構(gòu)，保留了其二維層狀的形貌。

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?作者通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了在引入表面N基團(tuán)后，N原子向Ti原子轉(zhuǎn)移更多電荷，使Ti3C2表面電荷再分配，增強(qiáng)了電導(dǎo)率和提供了額外Na+吸附位點(diǎn)，且Na+在Ti3C2體相內(nèi)的擴(kuò)散能力得到提升。

▉? 研究要點(diǎn)3??▉

■?與原始Ti3C2相比，Ti3C2-Nfunct在-25℃下表現(xiàn)出快速充放電能力（充電18分鐘獲得80%容量）和優(yōu)異的循環(huán)壽命（5000次循環(huán)后保持80.9%容量）。與Na3V2(PO4)2F3正極組裝全電池，全電池器件在-25℃下展現(xiàn)最大414.14 Wh kg-1的能量密度(基于正極材料質(zhì)量)，0.5C循環(huán)200次仍有88.1%的容量保持率。

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■作者采用簡(jiǎn)單的層間限域策略制備了具有表面N基團(tuán)的Ti3C2-Nfunct。對(duì)其結(jié)構(gòu)/形貌和低溫下儲(chǔ)鈉特性進(jìn)行了深入研究。低溫且在電流密度為0.5 A g-1的情況下，充電18 min獲得了80%的容量，具有循環(huán)5000次以上的穩(wěn)定性?；贒FT計(jì)算，證實(shí)了Ti3C2-Nfunct性能的提高源于電荷重分配和獨(dú)特的Na+擴(kuò)散能壘的降低。該項(xiàng)研究工作為其他二維材料在低溫下構(gòu)建高性能儲(chǔ)能器件提供了參考。

文章鏈接：

?https://doi.org/10.1007/s40820-022-00885-7