ACS APPLIED ENERGY MATERIALS:用于高級鈉儲存的超細銻柱撐多層Ti3C2Tx-MXenes
一、文章概述
文中通過簡單的靜電吸附和退火過程，將Sb超細顆粒巧妙地修飾到柔性的多層Ti3C2T（f-Ti3C2Tx）納米片上，制備了Sb柱撐Ti3C2Tx（Sb/p-Ti3C2Tx）復合材料。受益于高導電柱撐 f-Ti3C2Tx 和超細 Sb 納米粒子增強的動力學特性，復合材料在 50 mA g-1 下表現出 438.1 mAh g-1 的可逆充電容量和在 2 時的 126.6 mAh g-1 高保留率。此外，Sb 和 Ti3C2Tx 之間通過 Ti-O-Sb 化學鍵的強相互作用賦予復合材料高的結構穩(wěn)定性，導致良好的循環(huán)可持續(xù)性。并且第一次成功地將 MXenes 的少層狀態(tài)和支柱技術的雙重優(yōu)勢整合到基于 MXene 的 SIB 復合材料中，可以克服 Sb 陽極的缺點，并實現在 SIBs 中開發(fā)柱狀少層 MXene 復合材料，促進 MXenes 在 SIBs 中的商業(yè)化進程。
二、圖文導讀
圖1.f-Ti3C2Tx MXenes 和 Sb/p-Ti3C2Tx 復合材料的制備示意圖。
f-Ti3C2Tx和Sb/p-Ti3C2Tx復合材料的合成過程如圖1所示。手風琴狀m-Ti3C2Tx通過刻蝕Ti3AlC2 MAX相的Al層來合成。隨后，在水中通過超聲制備了少層狀或單層的Ti3C2Tx納米片。通過分步分層結合液相絮凝技術可以大大提高多層mxens制備f-mxens的產率和生產效率。通過十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）擴大Ti3C2Tx的層間距。隨后以SbCl3形式添加的Sb3+通過離子交換過程很容易插入Ti3C2Tx夾層，或由于靜電吸引，通過Sb3+（正）和f-Ti3C2Tx（負）之間的相互作用粘附到表面，導致絮凝的形成。經過冷凍干燥和退火處理后，殘留的CTAB揮發(fā)，銻前驅體還原為金屬銻納米粒子，從而獲得Sb/p-Ti3C2Tx。
圖2.Sb/p-Ti3C2Tx復合材料的XRD、BET和XPS表征。
XRD圖譜表明Sb的前體處于無定形狀態(tài)。退火過程結束后，Sb的前驅體成功轉化為金屬Sb（PDF#85-1323；圖2b）。BET結果表明經Sb納米顆粒裝飾后，比表面和孔體積都有顯著增加。增加的比表面積主要來自超細的Sb顆粒，可提供豐富的活性位點，有利于Na+的快速獲取。
圖3.(a)類手風琴m-Ti3C2Tx的掃描電鏡圖像。(b)f-Ti3C2Tx粉末的掃描電鏡圖像。(c)f-Ti3C2Tx在AAO薄膜上的掃描電鏡圖像。(d−f)Sb/p-Ti3C2Tx復合材料的掃描電鏡圖像。(g−j)基于(f)中插圖的Ti、C、O、Sb的相應元素映射。(k−m)Sb/p-Ti3C2Tx復合材料的TEM和HRTEM。
SEM結果表明m-Ti3C2Tx為手風琴狀，分層過程后，可以得到f-Ti3C2Tx MXenes具有層狀形態(tài)，表面有輕微的褶皺。圖3d-f表明與Sb納米顆粒合成后，Ti3C2Tx除了部分插入Sb導致厚度明顯增加外，仍保留了層狀結構EDS元素映射呈現出Sb的均勻復合，透射電鏡表明在MXene基質上沒有Sb納米顆粒的聚集(圖3l)。所選區(qū)域電子衍射(SAED)圖樣顯示了Sb納米顆粒和Ti3C2Tx的多晶態(tài)狀態(tài)(圖3k的插圖)。高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)顯示，在10nm左右的單分散銀納米顆粒均勻地嵌入在導電的Ti3C2Tx基質中。準確測量顯示d間距為0.35nm，對應于金屬Sb的（101）平面。
圖4.29μm厚的MXene薄膜的性能。
圖4a表明當速率從100增加到2000mA g−1時，裸f-Ti3C2Tx的容量保留率達到38%。圖4b-c表明材料具有良好的結構穩(wěn)定性。圖4d表明與循環(huán)前的新鮮電極值相比，復合材料的電荷傳遞阻抗明顯降低，反映了電極與電解質之間電化學接觸的有效激活過程，以及由于循環(huán)離子插入/脫插和部分插入Sb的體積膨脹而導致的柔性Ti3C2Tx的層間間距增大。如圖4g所示，在掃描速率為0.4 mV−1下，與總電流響應定量分離的電容電流響應的積分結果顯示出較高比例的72.7%。高電容貢獻比是Sb/p-Ti3C2Tx復合材料的優(yōu)良速率性能的原因，這是由于優(yōu)良的理化性能、先進的結構和巧妙的合作。如圖4i所示，層間間距增大的柔性f-Ti3C2Tx片具有高度可逆的膨脹和收縮，有利于循環(huán)穩(wěn)定性和快速的Na+擴散動力學。
三、全文總結
文章報道了一種通過柱撐工藝結合靜電吸附和退火，將部分活性Sb插層在層間，超細Sb納米顆粒緊密固定在f-Ti3C2Tx上的層狀Sb/p-Ti3C2Tx復合材料。通過改性溶液相絮凝方法制備的柔性f-Ti3C2Tx基質通過構建高效導電網絡和產生強界面相互作用，成為Sb納米顆粒的理想載體，在不斷插入/提取Na+的過程中，可防止顆粒粉碎和聚集，從而提高導電性和結構穩(wěn)定性。此外，Sb納米顆粒均勻地分布在Ti3C2Tx的表面和界面上，作為空間圍欄抑制Ti3C2Tx納米片的團聚和崩塌。Ti3C2Tx基體與Sb超細顆粒之間的協(xié)同效應是實現具有高保留率和長循環(huán)穩(wěn)定性的優(yōu)異電化學鈉儲存性能的原因。Sb/p-Ti3C2Tx復合材料顯示了f-MXenes作為鈉離子電池陽極基體的優(yōu)越性，其體積波動劇烈，導電性不足。這項工作進一步拓寬了f-MXenes的應用范圍，并為SIB設計高性能柱撐MXene基復合材料提供了可行的策略，擴展了柱撐MXene基復合材料的制備和應用。監(jiān)視和安全防護方面具有很大的應用前景。
文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.1c01863.
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