碱诱导3D褶皱MXene与NiCoP复合电极高效储钠

【研究背景】
      当前，寻找有效、安全和低成本的电能存储系统来满足日益增长的能源需求是当前的发展趋势。钠离子电池(SIBs)与其他可充电电池相比，具有能量密度高、成本低、钠源天然丰富等优点，有广泛的应用前景。然而，由于Na+ 的离子半径(1.02Å)大于 Li+ (0.76Å)的离子半径，而且在可逆的离子嵌入/嵌出过程中体积变化更严重，因此钠离子电池具有较差的电荷转移和嵌入动力学。最近，过渡金属碳化物MXene由于其高导电率和比容量，与其他二维材料相比具有更强的竞争力。

【成果简介】
       近日，山东大学Chengxiang Wang教授与Longwei Yin教授合作报道了一种新颖的策略，将NiCoP双金属磷化物纳米颗粒与碱诱导的3D互连褶皱多孔Ti3C2 MXene耦合作为高性能钠离子电池的负极，增强了结构稳定性并改善了反应动力学。互连的三维Ti3C2褶皱架构可以建立丰富的孔径和较大的比表面积的3D的导电空间促进电荷与电解液离子的转移。独特的MXene结构可在Na+嵌入/嵌出过程中有效地限制体积膨胀并防止NiCoP纳米颗粒的聚集。NiCoP具有丰富的氧化还原反应活性位点，较高的电导率和较低的电荷转移电阻。具有结构稳定性和电化学活性的NiCoP和MXene Ti3C2的协同作用使其具有出色的电化学性能，在1 A/g 的电流密度下2000次循环后可保持261.7 mAh g -1的比容量。

        该成果在线发表于Energy & Environmental Science: Alkali-induced 3D crinkled porous Ti3C2 MXene architectures coupled with NiCoP bimetallic phosphide nanoparticles as anodes for high-performance sodium-ion batteries

【图文导读】

 Ti₃C₂/NiCoP杂化物的合成过程示意图和半电池的机理。

图1 (a)不同样品的XRD图谱，Ti₃AlC₂前驱体（黑色）, 碱诱导的褶皱Ti₃C₂骨架（红色），Ti₃C₂ / NiCo-LDH（蓝色）和Ti₃C₂/ NiCoP（紫色）; (b) 磷化前后的Ti 2p的XPS图谱和 (c)高分辨率XPS图谱(d-f) Ti₃C₂ / NiCoP杂化体的Ni 2p，Co 2p和P 2p的高分辨率XPS图谱 (g) Ti₃C₂纳米片（黑色），碱诱导的3D Ti₃C₂网络（红色）和Ti₃C₂/ NiCoP杂化物（绿色）的拉曼光谱

图2 (a) Ti₃C₂纳米片; (b) 碱诱导的3D褶皱Ti₃C₂网络和(c) Ti₃C₂ / NiCoP杂化物的FESEM图像; (d-f) Ti₃C₂纳米片，碱诱导的3D Ti₃C₂网络和Ti₃C₂ / NiCoP杂化物的低倍TEM图像(g) HRTEM晶格图像显示，NiCoP(111)平面对应的d间距为0.22 nm (h) Ti₃C₂ / NiCoP杂化物的电子衍射图 (i) Ti₃C₂ / NiCoP杂化物的EDX元素图谱，表明Ni，Co，P和Ti元素在杂化物中的均匀分布

图3  (a)Ti₃C₂/ NiCoP电极的CV曲线和 (b)放电曲线; (c) Ti₃C₂，Ti₃C₂/ Ni₂P和Ti₃C₂/NiCoP电极的循环性能和(d)倍率性能 (e) 2000次循环后，Ti₃C₂ / Ni₂P和Ti₃C₂ / NiCoP电极在1.0 Ag^-1的电流密度下的长循环性能

       图4 (a) Ti3C2 / NiCoP电极的第一个放电-充电剖面图; (b)在不同的放电-充电阶段，Ti3C2/NiCoP电极的非原位XRD图谱; (c)电容贡献（红色区域）和在0.3 mV s-1处的扩散(d)在0.1, 0.15, 0.2, 0.25和0.3 mV s-1的不同扫描速率下获得的电容贡献。

【本文总结】
           通过溶剂热反应和原位磷化工艺合成了独特的3D互连多孔褶皱Ti3C2 /NiCoP杂化物，将NiCoP纳米颗粒均匀的生长在Ti3C2纳米片上，以减轻体积变化并改善钠离子电池的反应动力学。组分之间的协同作用使NiCoP /Ti3C2电极具有较高的结构稳定性和电化学活性，从而促进电化学储能能力。Ti3C2建立了3D导电网络，该结构不仅可以限制较大的体积膨胀，还能防止Na+在嵌入/嵌出过程中NiCoP纳米颗粒的聚集，为快速电荷转移过程提供了3D导电空间。与此同时，通过引入二元金属形成双金属磷化物，产生协同作用，提升电化学性能。通过原位磷化的方式将磷化物与3D Ti3C2耦合的策略可以扩展到其他用于高性能储能器件电极材料的设计上。

文献链接：
DOI: 10.1039/c9ee00308h

消息源：微信公众号 MXene Frontier