S模板法制备三维MXene泡沫用于高性能锂离子电池

【研究背景】

    2D纳米材料通常具有较高的表面积，因此通常具有出色的物理化学性能，因此将2D纳米级基块组装到3D多孔结构（如气凝胶和多孔泡沫）中对于实现单个纳米片的全部潜力在实际应用中至关重要。MXene是一类新型2D过渡金属碳化物和氮化物，分子式为Mn+1XnTx，其中M表示过渡金属（Ti，V，Mo，Nb等），X是碳或氮（n = 1、2或3），T代表含有氧基，羟基，氟基等官能团。它是通过从分层的MAX相前驱体中蚀刻并提取元素A（III A或IVA）层制成的。由于其独特的结构和表面化学性质，MXenes具有金属导电性，出色的亲水性和良好的机械稳定性，在储能，电磁干扰屏蔽，电催化氢析出，压阻传感器和隔膜等许多领域都显示了有希望的前景。

    【成果简介】
  北京化工大学徐斌教授发表在Small的Flexible 3D Porous MXene Foam for High-Performance Lithium-Ion Batteries，以S为牺牲模板剂的策略制备了柔性3D多孔MXene薄膜，并拥有优秀的容量和循环性能。
   二维过渡金属碳化物和氮化物是一种很有前途的储能材料，但二维纳米片的聚集和堆叠限制了其电化学性能。为了克服这一问题，充分发挥MXene纳米片的潜力，采用简单的硫模板法制备了具有多孔结构的3D MXene膜，该膜具有独立式、柔性和高导电性，可直接用作锂离子电池的电极。三维多孔结构的MXene膜提供了大量的活性位点，以提高锂的存储能力。3D多孔结构有利于电解质渗透，快速Li+转移。因此，这种柔性三维多孔MXene在50 mA g−1时表现出455.5 mAh g−1的容量，优异的倍率性能(在18 A g−1时表现出101 mAh g−1)，超长周期稳定性(在3500个周期后表现出1 A g−1时表现出220 mAh g−1)。这项工作不仅证明了三维多孔MXene的巨大优越性，而且提出了在相对较低的温度下用二维纳米薄片可控构建三维泡沫的硫模板方法。

【图文导读】

图一 3DMXene合成流程图

图二 a, b)为3dMXene的SEM图。可以看出3dMXen膜相对于普通MXene膜较厚。c)为p-MXen-71柔性测试 d)为3dMXene的孔径尺寸分析 e)XRD分析 f-h)为XPS分析。

图三 a-d)0.1 mV s^-1 扫描速率下CV曲线 e-h) 50mA g^-1 电流密度下充放电曲线。(a,e) 堆叠MXene (b,f) p-MXene-35, (c,g) p-MXene-48 (d,h) p-MXene-71