雙過渡金屬Ti2NbC2Tx MXene用于高性能儲鋰

【背景介紹】

MXene是一種新興的二維層狀材料，因其優(yōu)異的性能在各種儲能設備中受到了全世界的關注。然而，原始MXene的低容量限制了其在儲能設備中的應用，尤其是鋰離子電池 (LIB)。為了解決上述問題，本文成功制備了穩(wěn)定且高導電的雙過渡金屬MXene (Ti2NbC2Tx)，它更大的層間距和出色的導電性加快了離子擴散和電荷轉移。

最終，以Ti2NbC2Tx作為LIBs的負極，在0.1 A g-1下400次循環(huán)后具有196.2 mAh g-1的優(yōu)異比容量和約100%的循環(huán)穩(wěn)定性。除此以外，Ti2NbC2Tx在1A g-1的電流密度下，循環(huán)4000次后仍然表現出81%容量保持率，優(yōu)于Ti3C2Tx和各種先前報道的基于MXene的材料。我們的結果為未來MXene作為儲能材料的發(fā)展和應用提供了一個有吸引力的策略。

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【文章亮點】

1. 采用雙過渡金屬Ti2NbC2Tx MXene作為鋰離子存儲材料。

2. Nb的加入可以擴大層間間距，促進鋰離子的快速擴散。

3.Nb的摻雜可以提高電導率，促進電子傳輸。

4. Ti2NbC2Tx的比容量為196.2 mAh g-1，在0.1 A g-1的條件下，循環(huán)400次后比容量保持率幾乎高達100%。

【內容簡介】

日前，燕山大學大學材料科學與工程學院的張新宇教授課題組聯合泰國朱拉隆功大學秦家千研究員課題組在Rare Metals上發(fā)表了題為“A double transition metal Ti2NbC2Tx MXene for enhanced lithium-ion storage”的研究文章，成功制備了穩(wěn)定且高導電的雙過渡金屬MXene (Ti2NbC2Tx) 鋰離子存儲材料。

引入過渡金屬元素Nb形成了四元312相MXene (Ti2NbC2Tx)， Nb的摻雜不僅可以擴大MXene材料的面間距，還可以大大提高Ti2NbC2Tx的電導率。Ti2NbC2Tx在Nb中的優(yōu)異性能為MXene材料在能量轉換和存儲領域提供了更廣闊的應用前景。

【圖文解析】



圖1 （a）Ti2NbAlC2和Ti3AlC2及其刻蝕后的Ti3C2Tx和Ti2NbC2Tx的XRD譜圖；（b）為（a）所選區(qū)域的XRD譜圖；(c)Ti3C2Tx和Ti2NbC2Tx的拉曼光譜；（d）Ti3C2Tx和Ti2NbC2Tx的XPS譜圖; （e）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx Ti 2p的XPS精細光譜; （f）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx Nb 3d的XPS精細光譜 加入Nb元素后，(002)晶面對應的衍射峰偏移了一個小角度，導致晶面間距擴大(0.0317 nm)。

隨著Ti2NbC2Tx晶間間距的增大，Li+擴散勢壘相對較低，從而提高了電化學性能。350 cm-1附近特征峰的波數偏移較低，這意味著加入Nb后，樣品表面的-O基團占比增大。



圖2 （a）Ti3C2Tx和（b）Ti2NbC2Tx的SEM圖像;（c、d）超聲處理的Ti2NbC2Tx層數較少的TEM圖像和Ti2NbC2Tx的IFT圖像;（f）Ti, Nb, C元素Ti2NbC2Tx的元素映射圖像 圖2表明了合成的樣品具有均勻的成分和單一的手風琴狀薄片結構。



圖3 （a）Ti2NbC2Tx樣品的CV曲線；（b）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx的GCD曲線；（c）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx的倍率性能；（d）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx的EIS曲線；Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx在0.1 A·g-1（e）和1.0 A·g-1（f）下的循環(huán)性能和(插圖)LED供電照片 圖3電化學測試表明了Ti2NbC2Tx擁有優(yōu)異的倍率性能、低的電荷轉移電阻、高的比容量和容量保持率。



圖4 （a）Ti2NbC2Tx的CV曲線；（b）峰值電流和掃速的關系曲線；（c）不同掃描速率下贗電容和擴散控制歸一化比例；（d）2.0 mV s-1下贗電容對整體鋰存儲容量的貢獻。



圖5 （a）Ti2NbC2Tx||LiFePO4全電池的倍率性能；（b）Ti2NbC2Tx||LiFePO4全電池在不同電流密度下的GCD譜圖。（c） 0.2 c下Ti2NbC2Tx||LiFePO4全電池的GCD曲線；（c）0.2 c下Ti2NbC2Tx||LiFePO4全電池的循環(huán)穩(wěn)定性

【全文小結】

1.通過SPS燒結和刻蝕，我們成功地合成了具有獨特的手風琴狀片層結構的Ti2NbC2Tx。

2.加入Nb元素后，樣品獲得了更大的面間距，提高了鋰離子的輸運率和電解液的浸潤能力。

3.Nb的加入顯著降低了MXene的電荷轉移電阻，進一步提高了Li+的存儲能力。

4.Ti2NbC2Tx在0.1 A g-1下的比容量為196.2 mAh g-1, 400次循環(huán)后的容量保持率約為100%。即使在1 A g-1的高電流密度下，4000次循環(huán)后仍能保持81%的容量，表現出很高的可逆性。






審核編輯：劉清