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固體所在新型二維V4C3Tx邁科烯(MXene)制備及其電化學儲能方面取得進展
文章來源: 周家峰 發布時間: 2019-07-08

    近期,固體所功能材料研究室科研人員成功制備了新型二維V4C3Tx 邁科烯(MXene)材料并研究了其在鋰離子電池中的應用。相關研究成果以Synthesis and lithium ion storage performance of two-dimensional V4C3 MXene為題發表在Chemical Engineering Journal雜志上。

  在電化學儲能技術中,鋰離子電池因兼具能量密度高、循環壽命長以及環保無污染等特點而廣泛應用在人們的生活中,如可移動電子設備、電動汽車、電網儲能等。隨著社會經濟的發展,當前以石墨、鈦酸鋰等為負極材料的商用鋰離子電池越來越難以滿足人們對電池容量的需求,開發新型電極材料顯得尤為重要。目前,新型二維MXene材料因具有比表面積大、導電性好、離子擴散速率高等特點在作為鋰離子電池負極材料時顯示出巨大的應用潛力,引起了相關科研人員的廣泛關注。

  MXene是通過選擇性地刻蝕其前驅體MAX相化合物(化學通式為Mn+1AXn,其中M為前過渡金屬元素,如Ti、V、Nb、Mo等;A為主族元素;XCN元素;n = 1, 2, 3)中的“A”元素而制得的一類二維材料,常見的MXene材料有Ti3C2Tx、Ti2CTx、V2CTx、Nb2CTx、Nb4C3Tx等,Tx代表材料表面的官能團,如-OH、-O、-F等。在研究較為廣泛的MXene材料中,具有大的層間距和比表面積是獲得較好鋰電性能的關鍵因素。通常,人們采用插層劑將多層MXene剝離為少層甚至單層來獲得大的層間距和比表面積,然而上述方法得到的這種少層甚至單層MXene的穩定性較差,影響著材料的實際應用。研究表明,隨著Mn+1XnTxn (n = 1, 2, 3)值的增加,MXene的穩定性有明顯的提高,因此探索并研究具有M4X3TxMXene材料具有重要的實際意義。

  為獲得大比表面積、大層間距、高穩定性的MXene材料,固體所研究人員選擇MAXV4AlC3為前驅體,采用球磨和氫氟酸刻蝕相結合的工藝,獲得了尺寸大小(400nm-50μm)和層間距(0.434-0.9nm)可控的新型二維V4C3Tx MXene材料,并對該類材料的結構、形貌、穩定性以及鋰電性能進行了較為系統的研究。研究結果表明,通過氫氟酸選擇性刻蝕獲得了具有高穩定性的多層V4C3Tx  MXene材料,而且球磨工藝的加入使得上述多層V4C3Tx 得到充分碎化,從而顯著增大了其比表面積和層間距,為鋰離子存儲和輸運提供了更多活性位點和更快的傳輸通道,最終使得該類二維材料表現出較好的鋰電性能。在電流密度為100 mA g-1下經過300次充放電后,V4C3Tx  MXene材料的比容量為225 mAh g-1,同時表現出較好的倍率性能。該工作為后續VMXene材料在鋰/鈉離子電池領域的應用提供了重要的參考價值。

  本項研究工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。

  文章鏈接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719310514

  

  V4C3Tx  MXene 材料制備示意圖及相關鋰電性能

  

 

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