【研究背景】

過渡金屬碳/氮化物(MXene)作為一近年來發(fā)展迅猛的二維層狀結(jié)構(gòu)的材料，具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如超高的導(dǎo)電性，可控的層狀結(jié)構(gòu)，小帶隙以及具有氧化活性的功能化表面等作為最具潛力的儲(chǔ)能材料之一得到了研究者們非常廣泛的關(guān)注。MXene的合成方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及表面的化學(xué)反應(yīng)直接影響著其電化學(xué)性能。近日，浙江工業(yè)大學(xué)張文魁教授在國(guó)際能源類著名學(xué)術(shù)期刊ChemSusChem上發(fā)表綜述文章: Two-Dimensional MXene-Based Energy Storage Materials: Interfacial Structure Design and Functionalization。本綜述對(duì)MXene及MXene基儲(chǔ)能材料的界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能化處理，以及其結(jié)構(gòu)特性與表面的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)其在電化學(xué)性能上的影響進(jìn)行了系統(tǒng)地總結(jié)。除此之外，還詳細(xì)地總結(jié)了結(jié)構(gòu)特性與界面結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)以及層間距的關(guān)系對(duì)儲(chǔ)能性能的影響。最后為先進(jìn)的MXene基儲(chǔ)能材料所面臨的科學(xué)與技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)提供了未來的研究方向。

【圖文導(dǎo)讀】

? ? ? ? ? ?圖1 MXenes在能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用中，所使用的典型的合成方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能化處理方式。

圖2 氫氟酸的刻蝕機(jī)理圖。

圖3 MXene及MXene基儲(chǔ)能材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能化處理方式的匯總。

圖4 a) 具有代表性的CTAB-Sn(VI)@Ti3C2Tx的樣品制備流程圖GITT測(cè)試圖; b)不同表面活性劑的 XRD與c) 在不同處理溫度條件下的層間距。d) CTAB的分子結(jié)構(gòu), e) CTA+在MXene層間可能的存在位置。

?圖5 a) PVP-Sn(VI)@Ti3C2; b)?CTAB-Sn(VI)@Ti3C2;c) CT-Sn(II)@Ti3C2?三種MXene材料的微觀結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能。

圖6 a)多孔MXene/CNT電極的制備過程; b)Ti3C2Tx/CNT-SA的SEM圖像; c) Ti3C2Tx/CNT-SA在0.1mV s-1的掃描速率下非擴(kuò)散控制過程(k1v);d) 體積比容量與質(zhì)量比容量的倍率性能; e) Na+與電子在MXene/CNT-SA 多孔電極中的擴(kuò)散與轉(zhuǎn)移。

【總結(jié)與展望】

? ? ??作為一類新穎的儲(chǔ)能材料，MXene及MXene基電極材料的電化學(xué)性能主要取決于結(jié)構(gòu)與界面特性。因此，本文詳細(xì)論述了界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電化學(xué)性能的關(guān)系。結(jié)構(gòu)與界面的設(shè)計(jì)主要包括以下三種方式: (1)?擴(kuò)大層間距；(2)?表面官能團(tuán)的優(yōu)化; (3)?功能復(fù)合物的修飾。較大的層間距，低含量-F基官能團(tuán)與高含量的-O基官能團(tuán)會(huì)促進(jìn)儲(chǔ)能能力，進(jìn)而提升電化學(xué)性能。通常來講，無論是表面官能團(tuán)的控制還是功能復(fù)合物的修飾都往往伴隨著層間距的擴(kuò)大。

? ? ? 盡管在儲(chǔ)能領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景，MXene和MXene基電極材料的研究仍處于起步階段，在未來達(dá)到實(shí)際大批量生產(chǎn)的要求還有很長(zhǎng)的路要走。對(duì)MXene基材料的在綠色、高效以及可控合成的條件下進(jìn)行合理化界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能化處理仍然是巨大的挑戰(zhàn)。對(duì)于未來的研究，本文認(rèn)為應(yīng)將研究重點(diǎn)聚焦在以下幾個(gè)方面：(1)?具有納米級(jí)缺陷的大尺寸片層的高質(zhì)量MXene材料在溫和安全的刻蝕條件的探究，還需考慮低成本與高產(chǎn)出等因素，這對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)意義。(2)?MXene的官能團(tuán)之間的相互關(guān)系與作用（如-O, -OH 和-F), 以及其對(duì)電化學(xué)性能的影響還處于認(rèn)知階段，需要深入系統(tǒng)地的研究。(3)?MXene的化學(xué)與熱學(xué)穩(wěn)定性可能會(huì)對(duì)其儲(chǔ)能行為產(chǎn)生巨大影響，這方面需要進(jìn)一步的研究。

本信息源自互聯(lián)網(wǎng)僅供學(xué)術(shù)交流 ，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們立即刪除。