北化工徐斌團隊 Small：柔性3D多孔MXene泡沫作為高性能鋰離子電池的電極

【背景介紹】

MXene是一種新型二維層狀過渡金屬碳化物/氮化物材料，分子式為M_n+1X_nT_x，其中M表示過渡金屬（Ti、V、Mo等），X是碳和/或氮（n=1、2或3），T表示氧、羥基、氟等官能團。由于其獨特的結構和表面化學性質，MXene具有類金屬的導電性、良好的親水性和機械穩定性，因而在電化學儲能、電磁屏蔽、電催化、壓力傳感器等領域都有良好的應用前景。將MXene用作鋰/鈉離子電池、鋰-硫電池和超級電容器等儲能器件的電極材料，是當前研究的熱點。但是，與其他二維材料一樣，MXene納米片易于聚集或重新堆疊，形成的致密結構會影響電解液的滲透和離子的傳輸，限制了其電化學性能。常用的改善策略有兩種：一是通過引入層間間隔物（表面活性劑、碳納米管、聚合物等）防止MXene納米片的重新堆疊而提高其電化學性能；二是采用模板法將2D納米片構筑成3D多孔結構，可防止納米片層的堆疊并改善離子傳輸，從而獲得高性能的電極材料。然而，目前常用的模板法制備過程通常較為復雜，因此需要尋找一種可簡單移除模板的方法來構建柔性3D多孔MXene電極。

【成果簡介】

近日，北京化工大學的徐斌教授（通訊作者）團隊報道了一種簡單的制備三維多孔MXene泡沫的方法，以價格低廉、結構可控的硫顆粒作為模板，與MXene進行簡單的液相混合-減壓抽濾-模板去除的過程，即可得到柔性自支撐的三維多孔MXene泡沫。該三維多孔MXene泡沫可以直接用作鋰離子電池電極，其三維多孔結構極大地增加了MXene納米片的儲鋰活性位點，促進了電解液的滲透，構筑了良好的離子/電子傳輸通道，因此表現出高比容量（在50 mA g^-1時為455.5 mAh g^-1）、穩定的循環性能（在1 A g^-1時循環3500次仍保持在220 mAh g^-1）和優異的倍率性能（在18 A g^-1時為101 mAh g^-1）。該工作不僅獲得了性能優異的三維多孔MXene泡沫材料，同時提供了一種將二維納米片構筑成三維泡沫的新方法——硫模板法。該研究成果以題為“Flexible 3D Porous MXene Foam for High-Performance Lithium-Ion Batteries”發布在國際著名期刊Small上。

【圖文解讀】

圖一、柔性自支撐3D多孔MXene泡沫的制備過程示意圖

圖二、以硫為模板制備的3D多孔MXene泡沫的形貌結構表征
（a-c）3D多孔MXene泡沫（p-MXene-71）的SEM圖像和數碼照片；

（d）3D多孔MXene泡沫的氮吸附和MIP孔徑分布；

（e-f）致密MXene和3D多孔MXene泡沫的XRD圖譜和XPS光譜；

（g-h）致密MXene和p-MXene-71的Ti 2p光譜；

（i）致密MXene和3D多孔MXene泡沫在電解液中的接觸角。

圖三、致密MXene電極和3D多孔MXene泡沫電極作為鋰離子電池負極的電化學行為
（a-d）致密MXene電極和3D多孔MXene泡沫電極在0.1 mV s^-1的CV曲線；

（e-h）致密MXene電極和3D多孔MXene泡沫電極在50 mA g^-1的充放電曲線；
其中，（a，e）致密MXene電極、（b，f）p-MXene-35、（c，g）p-MXene-48、（d，h）p-MXene-71。

圖四、致密MXene電極和3D多孔MXene泡沫電極的電化學性能
（a-b）致密MXene電極和3D多孔MXene泡沫在50 mA g^-1下的循環性能和倍率性能；

（c）3D多孔MXene泡沫p-MXene-71電極的長循環性能；

（d-e）3D多孔MXene泡沫電極在循環前和循環300次后的交流阻抗圖譜（內圖為等效電路）。

圖五、3D多孔MXene泡沫p-MXene-71電極的電容行為貢獻
（a）3D多孔MXene泡沫p-MXene-71電極在不同掃描速率下的CV曲線；

（b）不同掃速的CV在2.0 V時的峰值電流與掃描速率之間的關系；

（c）2 mV s^-1掃速下的CV曲線（陰影部分表示電容貢獻）；

（d）3D多孔MXene泡沫p-MXene-71電極不同掃描速率下的電容行為貢獻比例。

【小結】

綜上所述，作者以價格低廉的硫顆粒作為模板，制備了柔性一體化、結構可控的三維多孔MXene泡沫，該制備方法簡單高效，硫模板在相對較低的溫度下（300℃）即可除去。制備的三維多孔MXene泡沫保持了MXene材料優異的導電性和較好的電解液浸潤性，保證了離子/電子的快速傳輸；3D多孔泡沫結構充分暴露了MXene的表面，極大地增加了儲鋰活性位點；三維多孔MXene泡沫具有良好的柔性，可以直接用作鋰離子電池負極，表現出優異的電化學性能。這種獨特的3D多孔MXene泡沫也可用作壓力傳感器材料，展現出廣泛的應用前景。此外，硫模板法提供了一種將2D納米片層構建為3D多孔泡沫的新思路，這種方法也可以擴展到其他2D材料。

文獻鏈接：Flexible 3D Porous MXene Foam for High-Performance Lithium-Ion Batteries（Small, 2019, DOI:10.1002/smll.201904293）

通訊作者簡介

徐斌，北京化工大學材料科學與工程學院教授、博士生導師，材料電化學過程與技術北京市重點實驗室副主任、中國超級電容產業聯盟副秘書長。主要從事先進化學電源與能源材料的研究與開發，包括超級電容器、鋰/鈉/鉀離子電池、鋰-硫電池電極材料與器件，以及電化學儲能用炭材料和新型二維MXene材料等。在Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, Energy Environ Sci, ACS Energy Lett, Nano Energy等期刊發表SCI論文100余篇，SCI引用5000次以上，H因子38。獲省部級科技進步二等獎2項和全國優秀博士學位論文提名。

E-mail: xubin@mail.buct.edu.cn；binxumail@163.com

團隊近期在MXene領域的主要工作:

(1) N. Sun, Q. Zhu, B. Anasori, P. Zhang, H. Liu, Y. Gogotsi, and Bin Xu. MXene-bonded flexible hard carbon film as anode for stable Na/K-ion storage. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 201906282.

(2) P. Zhang, D. Wang, Q. Zhu, N. Sun, F. Fu, B. Xu, Plate-to-Layer Bi₂MoO₆/MXene-Heterostructured Anode for Lithium-Ion Batteries Nano-Micro Lett., 2019, 11: 81.

(3) H. Liu, X. Zhang, Y. Zhu, B. Cao, Q. Zhu, P. Zhang, B. Xu, F. Wu, R. Chen. Electrostatic self-assembly of 0D-2D SnO₂ quantum dots/Ti₃C₂Tx MXene hybrids as anode for lithium-ion batteries. Nano-Micro Lett. 2019, 11: 65.

(4) S. Zhang, H. Liu, B. Cao, Q. Zhu, P. Zhang, X. Zhang, R. Chen, F. Wu, B. Xu. MXene/CNTs@P nanohybrid with stable Ti-O-P bond for enhanced lithium ion storage. J. Mater. Chem. A 2019, 7: 21766-21773.

(5) P. Zhang, Q. Zhu, Z. Guan, Q. Zhao, N. Sun, B. Xu, A Flexible Si@C Electrode with excellent stability employing an MXene as a multifunctional binder for lithium-ion batteries. ChemSusChem, 2019, DOI: 10.1002/cssc.201901497.

(6) Q. Zhao, Q. Zhu, J. Miao, P. Zhang, B. Xu, 2D MXene nanosheets enable small-sulfur electrodes to be flexible for lithium–sulfur batteries. Nanoscale, 2019, 11:8442-8448.

(7) Y.-T. Liu, P. Zhang, N. Sun, B. Anasori, Q. Zhu, H. Liu, Y. Gogotsi, B. Xu, Self-assembly of transition metal oxide nanostructures on MXene nanosheets for fast and stable lithium storage. Adv. Mater. 2018, 30, 1707334.

(8) L. Yu, L. Hu, B. Anasori, Y.-T. Liu, Q. Zhu, P. Zhang, Y. Gogotsi, B. Xu, MXene?bonded activated carbon as a flexible electrode for high-performance supercapacitors. ACS Energy Lett. 2018, 3, 1597-1603.

本文由CQR編譯。

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