用于金属离子电池的2D MXene基复合物的调制工程

【研究背景】

能源危机和环境污染正在推动可再生能源储能设备的进一步发展。锂离子电池（LIB）作为最先进的储能技术，已成为现代电子产品中必不可少的一部分。随着对能量存储设备不断增长的需求，更加注重高能量密度和安全性以及具有足够储备量的低成本，传统的LIB已经达到了极限。因此，利用其他丰富的金属离子（例如Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺和Al³⁺）的可充电金属离子电池（MIB）与LIB具有相似的结构和工作原理，并且在解决储能方面显示出广阔的应用前景。二维（2D）过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）由于其出色的导电性，化学多样性和大比表面积，在电极中显示出极具竞争力的潜在应用。然而，不可控的表面功能化，层间重堆和塌陷的问题严重阻碍了它们的实际应用。为此，非常需要有效的策略来修饰传统的MXene来提高电化学性能。

【成果简介】

最近，北京航空航天大学JianZhou教授和Zhimei Sun教授合作在国际知名学术期刊Nanoscale上发表综述文章，题目为Modulation engineering of 2D MXene-based compounds for metal-ion batteries.文章简要概述了基于2D MXene的过渡金属化合物的调控工程领域中最新的建设性进展。首先，通过嵌入，表面修饰和构造异质结构来修饰传统的MXene。其次，通过精确控制组成元素的原子结构，比例和组成，设计出比MXene更新颖的过渡金属化合物。此外，还介绍了基于MXene的材料未来的挑战和前景。

【图文导读】

图1. （a）MAX相和相应MXene的结构 （b）用LiF/HCl处理的MAX相合成Ti₂CT_x的示意图（c）Nb₄C₃T_x的长循环性能，以及在充电/放电循环期间结构变化示意图（d）Nb₄C₃T_x循环前后的XRD图谱（e）平面间距是循环数的函数。在（f）0，（g）160和（h）1000个循环后Nb₄C₃T_x的HRTEM图像

表1. MXene和MXene基材料用于MIB的电化学性能汇总

图2. （a）水平堆叠和（b）垂直排列的Ti₃C₂T_xMXene薄膜中离子传输的示意图

图3.（a）制备CTAB-Sn（IV）@ Ti₃C₂的示意图（b）Sn @ V₂C的电化学性能：（i）倍率性能；（ii）恒电流充放电曲线；（iii）在不同电流密度下的长期循环性能和库伦效率（c）MXene / Si @ SiOx @ C和（d）裸露的Si电极（插图：相应的数码照片），在10C下循环1000次（e）MXene /Si@SiOx@C纳米复合物的制备步骤

图5. （a）通过CVD制备的二维碳化物晶体的示意图。插图显示了α-Mo₂C晶体的生长（b）单层Mo₂C（顶部）和3nm厚的α-Mo₂C晶体（底部） （c）超薄α-Mo₂C晶体的光学图像，比例尺20μm （d）HRTEM显示出，钼原子（白点）以hcp结构排列，C原子位于六个Mo原子的中心

图6. （a）通过电子束辐照和加热形成的h-TiC同质外延生长示意图 （b）在（c）室温，（d）500°C和（e）1000°C下沿[001]区域轴从单层Ti₃C₂T_x获得的原子分辨率STEM图像和原子分辨率STEM图像 （f）该部分的（i）Mo₂C，（ii）MoC和（iii）MoC₂和ELF的俯视图和侧视图 （g）TiC₃单层的结构，锯齿形Ti原子链和正联苯结构单元以及ELF图

图7. （a）在HF通过Mo₂AlB₂边缘逐步相互作用过程中Mo₂B₂的原子构型（b）ADF-STEM图像（位于蚀刻腔内）的分离的分层MoB片（左），Mbene片的较高放大倍数和对比度增强的图像（中）以及MBene片的分层区域的结构（右）。Li / Na在二维TiB上的吸附和扩散行为 （c）具有一层Li / Na原子的TiB单层的ELF图 （d）扩散路径和（e）相应的扩散能量

【本文总结】

本文简要回顾了近年来在可充电MIBs中调制具有增强性能的基于MXene电极的研究进展。通过插层、表面修饰或构造异质结构等方法对传统MXene进行了有效的改性，并通过精确控制原子结构、组成元素的比例和组成，设计了超越MXene的过渡金属碳化物/氮化物/硼化物。最近的研究表明，上述策略不仅有利于提高结构稳定性，获得表面可控的二维MXene基材料，而且有利于获得具有足够金属离子容量、安全性和优良充放电性能的高性能电极。本文对二维材料和可再生能源技术的发展具有重要意义。

文献链接：

DOI：10.1039/C9NR08217D