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蘭州理工大學Mao-Cheng Liu --二元酸分子焊接實現自適應層狀結構Ti3C2 MXene用于快速穩定鋰離子存儲

Ti₃C₂因其豐富的表面端點、優異的類金屬導電性和可改性的層狀結構而被認為是一種潛在的鋰離子存儲材料。然而，Li⁺在層間的擴散速率受到范德華力決定的層間小間距的限制。本文利用氨基功能化的Ti₃C₂ (Ti₃C₂- NH₂)與馬來酸(MA)分子的脫水縮合反應，擴大了Ti₃C₂的層間距。通過HN-C=O鍵將MA分子成功焊接到Ti₃C₂層間(即化學焊接)，獲得了具有自適應層狀結構的MA化學焊接Ti₃C₂ (MA-Ti₃C₂)。MA分子對Ti₃C₂的層狀結構有雙重作用，它們在Li⁺插入過程中起到鏈的作用來緩解體積變化，在Li⁺萃取過程中起到柱狀作用來增強結構穩定性。MA-Ti₃C₂的層間距為1.28 nm，具有快速的Li⁺擴散速率(1.4×10^-8 ~ 5.8 ×10 ^-7 cm² s^-¹)，提高了Li⁺的存儲性能。MA-Ti₃C₂//AC鋰離子電容器(LIC)在200 W kg^-¹時的能量密度為102.5 Wh kg^-¹，在1.0 A g^-¹循環1000次后的循環穩定性為76.3%。這種新型化學焊接技術為改進層狀結構、提高結構穩定性、實現二維材料快速擴散和高速率性能提供了有效的前景。

圖1 (a) MA-Ti₃C₂制備原理圖。(b) Ti₃C₂、Ti₃C₂- NH₂和MA-Ti₃C₂的FTIR光譜。(C) Ti₃C₂和(d) MA-Ti₃C₂的高分辨率C 1s光譜。(e) XRD譜圖，(f)氮氣吸附/脫附等溫線，(g) Ti₃C₂、Ti₃C₂ - NH₂和MA-Ti₃C₂的孔徑分布。

圖2 (a) SEM， (b) TEM， (c) HRTEM。(d) SEM， (e) TEM和(f) HRTEM圖像。(g) MA-Ti₃C₂的Ti、C、N元素TEM映射圖。

圖3 (a) 0.1 mV s ^-¹時的CV曲線，(b)初始三次循環時的GCD曲線，(c) Ti₃C₂不同電流密度時的GCD曲線。MA-Ti₃C₂的前三個循環(d) CV曲線在0.1 mV s ^-¹和(e) GCD曲線在0.1 A g ^-¹。(f) MATi₃C₂在不同電流密度下的GCD曲線。(g) Ti₃C₂和MA-Ti₃C₂在0.1 A g ^-¹下的速率性能和(h)循環穩定性。

圖4. MA-Ti₃C₂的電化學存儲行為:(a) CV曲線。(b) b-陰極和陽極峰值。(c)計算在0.2 mV s^-¹下的表面控制電容貢獻。(d)不同掃描速率下表面控制的電容貢獻。(e) Ti₃C₂、Ti₃C₂-NH₂和MA-Ti₃C₂在不同掃描速率下的電容貢獻總結。

圖5 Ti₃C₂和MA-Ti₃C₂的Li⁺擴散動力學分析。(a) Nyquist圖，(b)復阻抗實部與ω ^-^1/2對應的Nyquist圖，(c) GITT曲線，(d) Li⁺擴散系數，(e) Li⁺快速擴散示意圖，(f)不同電流密度下的容量保持率。

圖6 MA-Ti₃C₂//AC LICs的電化學性能。(a) CV曲線和(b)相同電位窗口0.01-4.0 v下的GCD曲線。(c)循環穩定性和(d) Ragone曲線。

相關科研成果由蘭州理工大學Mao-Cheng Liu等人于2021年發表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering（https://pubs.acs.org/10.1021/acssuschemeng.1c04210）上。原文：Diacid Molecules Welding Achieved Self-Adaption Layered Structure Ti₃C₂ MXene toward Fast and Stable Lithium-Ion Storage。

轉自《石墨烯雜志》公眾號



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