MXene易氧化？可控氧化策略提升MXene电化学性能

MXene在一定条件下易氧化是困扰研究者们的关键问题之一，在今天推送的这篇文章里，Yury Gogotsi教授通过可控利用原位氧化的方式使MXene电极的倍率性能得到了极大的提升，非常有参考意义。

【背景介绍】

       MXenes 是一类迅猛发展的二维纳米材料，主要包括过渡金属碳化物，氮化物和碳氮化物，具有亲水性和高导电性的综合特性。MXenes通常通过选择性化学反应将层状MAX相中A原子刻蚀，M是一些早期过渡金属（Ti,Nb, Mo, V, Cr, Ta 等），A是13或14族元素（Al, Si, Ga或者In），而X代表碳或氮元素。MXenes基复合材料具有可变价过渡金属氧化活性，可调的层间距以及可控的界面化学反应等，这些优势可以使MXenes基材料可以广泛地应用于电磁屏蔽与能源储存。MXenes材料以插层赝电容的方式储存电荷，氧化反应伴随着超快的离子反应动力学，这与普通电池材料迟缓的离子扩散与多孔碳电极表面形成的的双电层都截然不同。多种离子可以快速的嵌入在MXenes层间的能力，使制备用于混合型金属离子电容器与多价态电池的高倍率电极材料成为可能。

【成果简介】

 近日，美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授报道了一种具有良好电化学性能的可控原位阳极氧化的Ti₃C₂T_x电极。这种可控的阳极氧化的方式可以提升Ti₃C₂T_x MXene 电极在酸性电解液环境中的倍率性能。根据不同的可控氧化程度，当扫描速率从5mV s^-1增加到2000 mV s^-1时，容量保留率从38%上升到66%。与此同时，氧化后较高的阳极电势证明了氧化还原反应在一定程度上的减弱。通过一些列分析方法证明了这种结构和界面的化学变化，在不损失电化学活性位点的情况下，引入缺陷是提升Ti₃C₂T_x倍率性能的一个关键因素。

该成果在线发表于 Angew. Chem. Int. Ed: Tuning the Electrochemical Performance of Titanium Carbide MXene by Controllable In Situ Anodic Oxidation.

【图文导读】

图1 a) 扫速为100 mV/sTi₃C₂T_x在稳定的电压窗口下可逆与不可逆电化学过程的CV图像 b) 单纯Ti₃C₂T_x与在0.8V氧化电位条件下的CV对比图像。c) 非原位XRD和 d)Raman 图谱。

图2 不同氧化条件下Ti₃C₂T_x电极的电化学性能。

图3 对部分氧化的Ti₃C₂T_x MXene电极优异倍率性能机理的探究: a) 不同电位下的XRD图像; b) - c) TEM 图像,d) 原位Raman图谱, e)XPS；f) 氧化过程示意图。

图4 氧化  Ti₃C₂T_x Ragone-plots 图像。a) 0.1V 多次氧化循环过程后；b) 一次氧化过程后。

【本文总结】

       Ti₃C₂T_xMXene的增强的电化学性能通过一个可控的电化学氧化的过程来实现。电极多次的循环使阳极电势略高于传统的工作电压，扩大了二维纳米片的层间距并在不破坏电化学活性位点的情况下在MXene层引入多孔结构。与单纯MXene电极相比，最佳的部分氧化控制可以使Ti₃C₂T_x在酸性电解液中在很高的扫速下的容量保留率翻倍，原因在于氧化的Ti₃C₂T_x 电极反应动力学提升了约30%。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/anie.201911604

DOI: 10.1002/anie.201911604