Advanced Materials:同步輻射吸收譜解析鈷離子插層V2C MXene以及儲鋰應用

2021-02-15 AdvancedScienceNews

二維層狀過渡金屬碳化物和氮化物(MXenes)是近年來發現的一類新型二維材料，基於其高導電率以及獨特的層狀結構，以Ti3C2Tx，V2CTx為代表的MXenes在鋰離子電池以及超級電容器等能源儲存方面得到了越來越廣泛的研究。不過當前報導的MXenes實際儲能容量均遠低於理論值，因此進一步提高其儲能能力至關重要。

近期，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室宋禮教授課題組通過鈷離子插層策略，成功設計和製備了具有超高儲鋰容量和優異循環穩定性的碳化礬 MXene電極材料。該研究通過液相刻蝕手段，在35℃下用HF刻蝕V2AlC MAX相得到了面間距為0.735 nm（小於以往報導面間距）的V2C MXene，在0.1 A/g的電流密度下表現出686.7 mA h/g 的儲鋰比容量，更加接近於V2C MXene約940 mA h g-1的理論儲鋰容量。在此基礎上，進一步通過鉀離子預插層和鈷離子交換方法，獲得了面間距擴大為0.952 nm的V2C MXene。同步輻射X-ray吸收譜分析證實了這種Co插層MXene層與層之間具有穩定的V-O-Co鍵，其中二價鈷離子主要存在於V2C內部層間，三價鈷離子主要存在於近表面的層間， 並最終計算了V2C中鈷離子的平均化合價為+2.12。由於插層鈷離子贗電容的貢獻以及V-O-Co鍵的形成，該插層材料表現出1117.3 mA h/g的儲鋰放電比容量，並且經15000圈的循環充放電之後幾乎沒有容量衰減。進一步將V2C@Co電極作為正極與石墨烯負極組裝成鋰離子電容器並同樣展現出優異的性能。這一研究工作基於同步輻射軟線和硬線的X-ray吸收譜技術，不僅有效地解析了插層離子在MXene層間的存在形式，同時也為理解二維電極材料的能量存儲和轉化機制提供了一種有力的檢測手段。

相關結果發表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201802525）上。

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