Ti
3C
2因其豐富的表面端點(diǎn)、優(yōu)異的類金屬導(dǎo)電性和可改性的層狀結(jié)構(gòu)而被認(rèn)為是一種潛在的鋰離子存儲材料。然而，Li
+在層間的擴(kuò)散速率受到范德華力決定的層間小間距的限制。本文利用氨基功能化的Ti
3C
2 (Ti
3C
2- NH
2)與馬來酸(MA)分子的脫水縮合反應(yīng)，擴(kuò)大了Ti
3C
2的層間距。通過HN-C=O鍵將MA分子成功焊接到Ti
3C
2層間(即化學(xué)焊接)，獲得了具有自適應(yīng)層狀結(jié)構(gòu)的MA化學(xué)焊接Ti
3C
2 (MA-Ti
3C
2)。MA分子對Ti
3C
2的層狀結(jié)構(gòu)有雙重作用，它們在Li
+插入過程中起到鏈的作用來緩解體積變化，在Li
+萃取過程中起到柱狀作用來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。MA-Ti
3C
2的層間距為1.28 nm，具有快速的Li
+擴(kuò)散速率(1.4×10
-8 ~ 5.8 ×10
-7 cm
2 s
-1)，提高了Li
+的存儲性能。MA-Ti
3C
2//AC鋰離子電容器(LIC)在200 W kg
-1時的能量密度為102.5 Wh kg
-1，在1.0 A g
-1循環(huán)1000次后的循環(huán)穩(wěn)定性為76.3%。這種新型化學(xué)焊接技術(shù)為改進(jìn)層狀結(jié)構(gòu)、提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)二維材料快速擴(kuò)散和高速率性能提供了有效的前景。
圖1 (a) MA-Ti
3C
2制備原理圖。(b) Ti
3C
2、Ti
3C
2- NH
2和MA-Ti
3C
2的FTIR光譜。(C) Ti
3C
2和(d) MA-Ti
3C
2的高分辨率C 1s光譜。(e) XRD譜圖，(f)氮?dú)馕?脫附等溫線，(g) Ti
3C
2、Ti
3C
2 - NH
2和MA-Ti
3C
2的孔徑分布。
圖2 (a) SEM， (b) TEM， (c) HRTEM。(d) SEM， (e) TEM和(f) HRTEM圖像。(g) MA-Ti
3C
2的Ti、C、N元素TEM映射圖。
圖3 (a) 0.1 mV s
-1時的CV曲線，(b)初始三次循環(huán)時的GCD曲線，(c) Ti
3C
2不同電流密度時的GCD曲線。MA-Ti
3C
2的前三個循環(huán)(d) CV曲線在0.1 mV s
-1和(e) GCD曲線在0.1 A g
-1。(f) MATi
3C
2在不同電流密度下的GCD曲線。(g) Ti
3C
2和MA-Ti
3C
2在0.1 A g
-1下的速率性能和(h)循環(huán)穩(wěn)定性。
圖4. MA-Ti
3C
2的電化學(xué)存儲行為:(a) CV曲線。(b) b-陰極和陽極峰值。(c)計算在0.2 mV s
-1下的表面控制電容貢獻(xiàn)。(d)不同掃描速率下表面控制的電容貢獻(xiàn)。(e) Ti
3C
2、Ti
3C
2-NH
2和MA-Ti
3C
2在不同掃描速率下的電容貢獻(xiàn)總結(jié)。
圖5 Ti
3C
2和MA-Ti
3C
2的Li
+擴(kuò)散動力學(xué)分析。(a) Nyquist圖，(b)復(fù)阻抗實(shí)部與ω
-1/2對應(yīng)的Nyquist圖，(c) GITT曲線，(d) Li
+擴(kuò)散系數(shù)，(e) Li
+快速擴(kuò)散示意圖，(f)不同電流密度下的容量保持率。
圖6 MA-Ti
3C
2//AC LICs的電化學(xué)性能。(a) CV曲線和(b)相同電位窗口0.01-4.0 v下的GCD曲線。(c)循環(huán)穩(wěn)定性和(d) Ragone曲線。
相關(guān)科研成果由蘭州理工大學(xué)Mao-Cheng Liu等人于2021年發(fā)表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering（https://pubs.acs.org/10.1021/acssuschemeng.1c04210）上。原文：Diacid Molecules Welding Achieved Self-Adaption Layered Structure Ti
3C
2 MXene toward Fast and Stable Lithium-Ion Storage。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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