【研究背景】

? ? ? ?鈉離子（Na+）儲能與鋰離子(Li+)儲能具有相似的工作機理，在地殼中豐富的元素含量和低成本等方面的顯著優(yōu)勢，使其成為鋰離子儲能在大規(guī)模儲能應(yīng)用領(lǐng)域的理想替代品。但與Li+?的半徑相比(0.76 ?)，Na+的半徑要大得多(1.02 ?)，因此在儲能過程中體積膨脹也更大，導致反應(yīng)動力學遲緩，很難找到合適的宿主材料儲存Na+。因此，尋找一種新型高效的應(yīng)用于Na+存儲的電極材料仍然是必要的。

【成果簡介】

? ? ?近日，浙江工業(yè)大學Weiyang Li教授與陶新永教授合作，報道了一種簡單的方法將S原子嵌入到經(jīng)過十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)預(yù)處理的Ti3C2?MXene (CT-S@Ti3C2)層間。經(jīng)過表面活性劑CTAB的預(yù)處理，S原子通過形成Ti-S共價鍵的方式成功地嵌入在Ti3C2的層間，形成非常理想的層間擴展結(jié)構(gòu)，而未經(jīng)CTAB處理的Ti3C2因表面活性不足而導致S原子很難進行嵌入。當煅燒溫度為450℃時，S原子嵌入的Ti3C2?MXene電極(CT-S@Ti3C2-450)在0.1A g-1的電流密度下具有550 mAh g-1的儲鈉容量，以及在10A g-1的高電流密度下超過5000次循環(huán)的優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

? ?該成果在線發(fā)表于Advanced Functional Material:?Atomic Sulfur Covalently Engineered Interlayers of Ti3C2?MXene for Ultra-Fast Sodium-Ion Storage by Enhanced Pseudocapacitance。

【圖文導讀】

圖1 S原子嵌入Ti3C2的合成示意圖。

圖2 a) Ti3C2,?CT- Ti3C2和在不同退火溫度(250-500°C)下CT-S@Ti3C2的XRD圖譜；b) Ti3C2?c)CT-S@Ti3C2?-450的SEM圖像；d，e)CT-S@Ti3C2-450的TEM圖像；f)CT-S@Ti3C2-450的STEM圖像與相應(yīng)的Ti、C、S元素分布圖g)CT-Ti3C2, CT-S@Ti3C2，在不同退火溫度(250-500°C)下的S@ Ti3C2樣品的層間距變化；h,i) CT-S@Ti3C2-450的 Ti 2p和 S 2p XPS圖譜。

圖3?a) Ti3C2, CT-Ti3C2?和 CT-S@Ti3C2-450電極在0.1 A g-1的循環(huán)性能；b) CT-S@Ti3C2-450在不同電流密度下的倍率性能和相應(yīng)的充放電剖面圖；c) CT-S@Ti3C2-450與其他報道的高性能碳基和MXene基陽極在不同的電流密度的性能比較；d)CT-S@Ti3C2-450在 10 A g-1的長循環(huán)性能；e)CT-S@?Ti3C2-450電極在不同掃描速率下的CV曲線 ；f)峰值電流與掃描速率的對數(shù)關(guān)系圖，內(nèi)圖：b值計算結(jié)果；h)Ti3C2和CT-S@Ti3C2-450電極的Na+擴散系數(shù)。

圖4?Na+吸附的DFT計算及在Ti3C2、Ti3C2O2、Ti3C2F2、Ti3C2S2單層俯視部和側(cè)視圖的幾何結(jié)構(gòu)。

圖5 a) CT-S@Ti3C2-450//AC SIC 掃描速率范圍從2 至20 mV s-1的掃描速率；b) CT-S@Ti3C2-450//AC SIC在不同電流密度下1.0–3.8 V電壓范圍的充放電曲線；c)SIC 在 2 A g-1?的循環(huán)性能；d,e) CT-S@Ti3C2-450//AC SIC 的Rgone圖。

【本文總結(jié)】

? ? ? 采用高效的表面活性劑CTAB對MXene片層進行預(yù)處理，可以促進S原子嵌入到Ti3C2??MXene的層間。由于CTAB預(yù)表面活化的作用，S原子可以成功地嵌入到MXene的中間層中。當退火溫度為450°C時，所制備的CT-S@Ti3C2-450電極表現(xiàn)出優(yōu)異的Na+離子存儲性能，并表現(xiàn)出優(yōu)異的MXene基材料儲鈉性能。DFT計算結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)表征、電化學性能測試和動力學分析表明，CT-S@Ti3C2-450在S原子插入后展現(xiàn)出較快的Na+儲存動力學和大量的活性位點，這是由于S嵌入后所形成的功能化界面以及MXene層間距的擴大。此外，組裝的CT-S@Ti3C2-450 鈉離子電容器即使在高功率密度也能提供高能量密，此外還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。我們相信，這種硫原子與MXene通過形成共價鍵的方式，使MXene與電解液界面功能化，進而產(chǎn)生贗電容的復(fù)合MXene電極，對于MXene基納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了新的思路。

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