研究速覽

■?近日，大連理工大學(xué)胡方圓教授等人在學(xué)術(shù)期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表題為“Highly stable Ti3C2Tx MXene-based sandwich-like structure via interfacial self-assembly of nitrogen-rich polymer network for superior sodium-ion storage performance”的研究論文。該論文采用富含N高分子聚合物界面自組裝的方法，構(gòu)筑了一種層間距可調(diào)的高穩(wěn)定MXene基鈉離子電池負極材料。其中，富含N的高分子聚合物借助MXene表面豐富的官能團（-OH、-F等）進行自組裝，緊密的富含N的氫鍵網(wǎng)絡(luò)不僅提供了豐富的N元素（21.63 at.%），還通過MXene界面與高分子聚合物的氫鍵相互作用構(gòu)筑了高穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。

其中，博士生金鑫為該論文的第一作者，胡方圓教授為通訊作者。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?近年來，消費電子品和電動汽車的快速發(fā)展加大了對大容量電池的需求。MXene憑借其高導(dǎo)電性、層狀結(jié)構(gòu)、易分散性等優(yōu)勢，被公認是一種具有良好儲能應(yīng)用前景的二維材料。然而，MXene基鈉離子電池(SIBs)由于其嚴重的自堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致動力學(xué)過程緩慢的問題。

■?鑒于此，大連理工大學(xué)胡方圓教授等人合成了一種可抑制自堆積現(xiàn)象的高穩(wěn)定性“三明治”夾層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)含氫鍵有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且富N雜原子可提高Ti3C2Tx MXene贗電容?；贛Xene的互聯(lián)夾層結(jié)構(gòu)，可構(gòu)筑穩(wěn)定的導(dǎo)電框架、豐富的活性位點和可調(diào)的層間距，為Na+快速傳輸提供通道。此外，氫鍵網(wǎng)絡(luò)可有效地防止層間重新堆積，從而實現(xiàn)Na+的穩(wěn)定存儲與高效傳輸。改性后Ti3C2Tx MXene的N含量為21.63 at.%，不僅為Na+存儲提供了額外的活性位點，且加速了Na+傳輸和電荷轉(zhuǎn)移。作為SIBs電池負極材料，在500 mA g-1電流密度下，經(jīng)過3000次循環(huán)充放電過程后，容量無衰減；在1000 mA g-1電流密度下，經(jīng)過5000次循環(huán)充放電過程后，容量可達123.4 mAh g-1。

▉? 工作亮點 ▉

■將富含N的高分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)自愈合機制應(yīng)用于二維MXene界面，利用氫鍵網(wǎng)絡(luò)緩解MXene自堆積現(xiàn)象，構(gòu)建穩(wěn)定的三明治結(jié)構(gòu)。

■?通過界面自組裝法將N原子含量從0 at.%提高到21.63 at.%，引入贗電容儲鈉機制。

■?通過高分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)MXene層間距調(diào)控，以此增加儲鈉活性位點利用率。

Part2

▉? 研究要點1? ▉

■?該工作利用Ti3C2Tx MXene豐富的表面化學(xué)性質(zhì)，通過聚乙烯亞胺（PEI）中豐富的-NH2和MXene界面上的-OH、-F等官能團形成氫鍵。富含N的高分子聚合物在Ti3C2Tx MXene表面通過自組裝形成聚合物氫鍵網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)MXene基三明治結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定性。

▉? 研究要點2? ▉

■?圍繞本工作的亮點對材料進行了表征測試，N含量從0 at.%提升到21.63 at.%。相比于原始MXene，聚合物氫鍵網(wǎng)絡(luò)存在豐富的N，增加了贗電容效應(yīng)，從而提升儲鈉容量。此外，復(fù)合結(jié)構(gòu)的比表面積也有較大提升，其中，氫鍵網(wǎng)絡(luò)起到調(diào)節(jié)層間距的作用，使Ti3C2Tx MXene的層間距由0.99 nm增加到1.32 nm，且C、Ti、O、F、N元素在體系中均勻分布。在此MXene基三明治結(jié)構(gòu)中，富含N的氫鍵網(wǎng)絡(luò)起到了“一石三鳥”的作用。

（1）調(diào)控MXene二維材料層間距，利于Na+傳輸，并增加活性位點利用率。

（2）豐富的N提供了額外的儲鈉活性位點，增加了MXene基結(jié)構(gòu)的贗電容效應(yīng)。

（3）在二維材料界面處引入具有自愈合特性的高分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，緩解了MXene材料自堆疊現(xiàn)象。

▉? 研究要點3? ▉

■?為了探究這類富N高分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)的電化學(xué)性能，將其組裝成半電池進行了電化學(xué)性能測試。結(jié)果表明，儲鈉容量由表面擴散機制主導(dǎo)，這說明了該結(jié)構(gòu)的儲鈉速率較快。由倍率性能測試可知，相比于原始Ti3C2Tx MXene倍率性能，SWMP-5的性能明顯提升，說明豐富N原子提供了贗電容效應(yīng)，從而提升了儲鈉容量。此外，將SWMP-5分別在500 mA g-1和1000 mA g-1的電流密度下進行了循環(huán)性能測試。在500 mA g-1電流密度下循環(huán)3000次，可逆容量為148.4 mAh g-1，容量保持率為102.4%；在1000 mA g-1電流密度下，經(jīng)過5000次循環(huán)后，容量為123.4 mAh g-1。這表明高分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)不僅在塊體材料中具有自愈性，在二維材料的界面處也可利用豐富氫鍵保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而提升循環(huán)穩(wěn)定性。

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?該工作利用富N高分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑了高穩(wěn)定性MXene基三明治結(jié)構(gòu)，并提高了鈉離子電池負極材料的反應(yīng)動力學(xué)過程。這種具有可調(diào)的層間距和豐富N原子(21.63 at.%)的新型結(jié)構(gòu)，為Na+快速存儲提供了通道，并增加了贗電容效應(yīng)，提升儲鈉容量。此外，PEI氫鍵網(wǎng)絡(luò)有效緩解了二維納米片的自堆疊現(xiàn)象，提升了循環(huán)穩(wěn)定性。這種基于MXene的三明治狀復(fù)合結(jié)構(gòu)為二維材料進行穩(wěn)定快速儲存Na+，提供了一種可資借鑒的新思路。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138763