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北京理工大学Jiang, Minxia:MXene的分子级界面化学调控使能量储存超过理论极限

论论资讯 | 2024-02-28 7热度

ACS Nano

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Molecular-Level Interfacial Chemistry Regulation of MXene Enables Energy Storage beyond Theoretical Limit

Jiang Minxia; Li Minxi; Cui Chang; Wang Jie; Cheng Yang; Wang Yixin; Zhang Xing; Qin Jinwen; Cao Minhua

Published:2024-02-27
DOI:10.1021/acsnano.3c12329

研究背景

随着社会的发展,人们对能源存储的需求越来越高。但是,目前常用的电池材料存在容量低、循环寿命短等问题,无法满足人们的需求。因此,科学家们一直在寻找新的电池材料,以提高电池的性能。然而,Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub>T<sub><i>x</i></sub> MXene因为其不利于电化学的OH端面而经常遭受着储存锂的不良行为。这个问题一直困扰着科学家们,因此有必要找到一种新的方法来解决这个问题。

研究内容

在这篇论文中,科学家们提出了一种新的方法,通过利用植酸(PA)调节Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub>T<sub><i>x</i></sub> MXene的分子级界面化学,直接激活其OH端面。通过在Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub>T<sub><i>x</i></sub>表面上构建氢键,将PA的氧原子与OH端面上的氧原子形成氢键,有效调节了Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub>T<sub><i>x</i></sub>的界面电荷分布,从而为高性能储能提供了足够的离子储存位点和加速离子传输动力学。研究结果表明,Li离子优先结合到氢键受体(PA的氧原子)上,氢键的灵活性因此使它们与吸附的Li离子的相互作用在化学上是“可调”的,从而减轻了OH端面的不良局部几何变化。同时,氢键诱导的微观偶极体可以作为方向性Li离子泵,加速离子扩散动力学,降低能垒。因此,经过设计的Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub>T<sub><i>x</i></sub>/PA与原始的Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub>T<sub><i>x</i></sub>相比,其容量增强了2.4倍(甚至超过了理论容量),具有更优秀的长期循环性能(在2.0 A g<sup>-1</sup>下2000个循环后的220.0 mAh g<sup>-1</sup>)和更广泛的温度适应性(-20到50°C)。

研究意义

这项研究提出了一种有前途的界面工程策略,通过调节固有端面的微环境来突破MXenes的储能性能。这种方法可以为电池材料的研究提供新的思路,为开发高性能电池提供了新的途径。这项研究的创新点在于,使用植酸调节MXene的OH端面,提高了MXene的储能性能,这为今后的电池储能研究提供了新的思路和方法。

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