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蘭州大學彭尚龍教授團隊Angew：打破MXene被視為導電材料的思維范式，提出MXene誘導引發(fā)劑概念

來源：蘭州大學      2024-06-14
導讀：近日，來自蘭州大學材料與能源學院的彭尚龍教授，與英國倫敦大學學院何冠杰副教授、南京大學馬晶教授合作，在國際頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.上發(fā)表題為“Using MXene as a Chemically Induced Initiator to Construct High-Performance Cathodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries”的文章。
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研究背景

MXene材料近年來受到了廣泛的關注，最近在水系鋅離子電池（AZIB）中得到了廣泛的關注，其可以作為陽極或者陰極的主體，或者用于陽極和陰極的支撐材料。此外，MXene材料還可以作為陰極、陽極或者隔膜的人工界面層，或作為液態(tài)或凝膠電解質(zhì)的添加劑。然而，由于其較弱的贗電容存儲能力，在通常合成條件或者測試環(huán)境下，MXene作為水系鋅離子電池電極材料的可逆容量極低（不考慮部分MXene的相轉(zhuǎn)變機制），在陰極材料的研究中通常作為導電材料引入陰極材料中。然而，大量MXene材料作為導電基底的引入，無法避免地將導致電極整體比容量下降，需要提出一種新的策略與概念，超越MXene材料被視為導電基底或框架的思維范式。化學加——科學家創(chuàng)業(yè)合伙人，歡迎下載化學加APP關注。

文章簡介

近日，來自蘭州大學材料與能源學院的彭尚龍教授，與英國倫敦大學學院何冠杰副教授、南京大學馬晶教授合作，在國際頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.上發(fā)表題為“Using MXene as a Chemically Induced Initiator to Construct High-Performance Cathodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries”的文章。該文章依據(jù)凝膠電解質(zhì)工程的啟發(fā)，提出了一種基于MXene材料的原位誘導生長策略，其中少量MXene的引入被視為誘導生長引發(fā)劑，調(diào)控陰極材料的晶體生長模式。蘭州大學作為第一單位，碩士生陳杰和博士生劉彥鵬作為論文第一作者，彭尚龍教授作為通訊作者。
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方案1. 原位誘導生長策略概念的提出。
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圖1. MXene誘導生長策略的概念驗證


圖文簡介

要點一：釩氧化物生長模式的改變以及誘導生長機理

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圖2. 誘導材料的形貌結(jié)構表征。

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圖3. MXene誘導生長機制的初步討論與模擬。
上圖展示了不同異質(zhì)成核誘導時間下誘導釩氧化物（T-HVO）的形態(tài)，以及XRD、拉曼光譜、EPR譜圖等表征結(jié)果。這些結(jié)果揭示了隨著誘導時間的延長，HVO的形態(tài)如何從層狀結(jié)構轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀多孔結(jié)構，并且展示了晶體結(jié)構的變化和二配位氧缺陷的生成。進一步聚焦于ex-Ti3C2和HVO之間的界面層，探索原位誘導生長機制，圖中包括了高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像和XPS光譜，以及密度泛函理論（DFT）模擬，用以證明MXene表面特定官能團對HVO生長的影響和兩相界面之間的強相互作用。
要點二：電化學性能對比（考慮整體陰極材料）
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圖4. 考慮整體陰極材料質(zhì)量的電化學性能對比。
考慮整體陰極材料的質(zhì)量，文章評估了鋅離子電池中HVO和T-HVO電極材料的電化學性能，包括循環(huán)伏安（CV）曲線、倍率性能、充放電曲線、電壓滯后曲線、容量貢獻比較、循環(huán)穩(wěn)定性以及Ragone圖。
要點三：動力學分析與動力學修正原理
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圖5. 陰極材料動力學分析與動力學修正對比。
上圖展示了鋅離子電池中電極材料的電極反應動力學，包括不同電位下的電流密度響應、差分Nyquist圖（DNTD）、電位分辨原位電化學阻抗譜（PRIs EIS）以及動力學方程校正步驟（DECS）
要點四：原位誘導生長策略的評估
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圖6. 原位誘導生長策略進一步拓展與應用的初步討論。

論文最后將原位誘導生長策略并與其他缺陷工程策略進行了比較，T-HVO|Od電極材料的展示了良好的實際應用潛力。


總結(jié)與展望

研究團隊工作受到聚合物電解質(zhì)工程的啟發(fā)，提出了一種基于MXene材料的原位誘導生長策略，該策略通過在釩氧化物（HVO）的成核和生長過程中引入少量的MXene，作為異質(zhì)成核點和引發(fā)劑，成功調(diào)控了HVO的形態(tài)并引入了晶體缺陷。這種策略不僅在合成階段直接引入了氧缺陷，而且避免了特定反應環(huán)境或容器的需求，實現(xiàn)了高安全性和高產(chǎn)量的特點。通過這種方法得到的誘導釩氧化物（T-HVO）表現(xiàn)出顯著提升的電化學性能，包括增加的容量和改善的倍率性能。此外，這項工作還揭示了MXene在晶體生長過程中的誘導化學機制，有助于深入理解、開發(fā)和應用水系鋅離子電池的正極材料。
【文章鏈接】HTTP://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202408667




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