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δ-MnO₂由于其層狀結(jié)構(gòu)的特點，引起了作為水性鋅離子電池(AZIBs)陰極應(yīng)用的大量科學(xué)研究。然而，由于δ-MnO₂陰極本身的導(dǎo)電性能差和充放電過程中的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致其較低的速率性能和較差的循環(huán)穩(wěn)定性，阻礙了其進一步的開發(fā)和商業(yè)應(yīng)用。在這里，我們報告了通過單層MnO₂和Ti₃C₂T_x MXene納米片的溶液相組裝來制備二維MnO₂/MXene超晶格，其中單層MnO₂納米片在單層MXene納米片之間被分離和穩(wěn)定。MXene納米片不僅可以作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑來隔離MnO₂納米片并防止其聚集，還可以作為導(dǎo)電促進劑來加強電導(dǎo)率，從而保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，實現(xiàn)電子的快速傳遞。此外，二維MnO₂/MXene的規(guī)律性疊加具有重復(fù)的周期性，可導(dǎo)致活性位點高度暴露，促進離子擴散。因此，MnO₂/MXene陰極在AZIBs中獲得了0.2 A g⁻¹時315.1 mAh g⁻¹的大容量，5 A g⁻¹時149.8 mAh g⁻¹的突出速率性能，5000次循環(huán)后88.1%的容量保留，以及優(yōu)異的長期循環(huán)穩(wěn)定性。同時，通過電化學(xué)測量和密度泛函理論計算，闡明了優(yōu)越的H+/Zn²⁺擴散動力學(xué)和理想的贗電容行為。本研究為AZIBs中錳氧化物基正極材料的創(chuàng)新提供了先進的前景。

 
圖1. (a) MnO₂/MXene超晶格合成示意圖。(b, c) MnO₂納米片(b)和PDDA-MXene納米片(c)的AFM圖像和高度圖。(d) SEM， (e) TEM， (f) SAED模式，和(g) MnO₂/MXene的HRTEM圖像。

 
圖2. 二維MnO₂/MXene超晶格的結(jié)構(gòu)表征。

 
圖3. 二維MnO₂/MXene超晶格充放電過程中H⁺和Zn²⁺的儲存機理研究。

 
圖4. MnO₂/MXene陰極的電化學(xué)性能。

 
圖5。MnO₂/MXene陰極的電化學(xué)動力學(xué)和DFT計算結(jié)果。
 
     相關(guān)科研成果由深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院Yu Chen和Jun Song等人于2023年發(fā)表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.3c07627）上。原文：Atomically Coupled 2D MnO₂/MXene Superlattices for Ultrastable and Fast Aqueous Zinc-Ion Batteries。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c07627

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號