【研究背景】

? ? ??鈉離子電池(SIBs)是一種新興的可替代的可充電電池系統(tǒng)，因其具有較低的成本、豐富的鈉元素的儲(chǔ)量以及與鋰離子電池相似的插層化學(xué)。然而，對(duì)于一般的電極材料來(lái)說(shuō)，Na+更大的離子半徑不僅限制了其移動(dòng)更會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)膨脹。在眾多的儲(chǔ)鈉電極材料中，磷(P)基于合金化反應(yīng)：3Na+P?Na3P因而具有最高的理論容量：~2600 mAh g-1。磷主要有三種同素異形體，包括白磷，紅磷和黑磷。通常情況下，白磷具有最高的反應(yīng)活性但對(duì)人類身體也具有致命的毒性，因此不適合作為一種電極材料。紅磷作為鈉電負(fù)極材料已經(jīng)被廣泛研究，其較低的固有電導(dǎo)率以及較低的離子擴(kuò)散速率限制了快速充放電性能以及應(yīng)用于電池時(shí)的循環(huán)壽命。黑磷是熱力學(xué)最穩(wěn)定的和最高導(dǎo)電性的同素異形體。尤其是，塊狀黑磷可以被剝離成2D層狀納米片（被稱之為磷烯），利用了2D結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，如較短的離子擴(kuò)散路徑，更大的面積體積比和較多的活性位點(diǎn)。然而就像大多數(shù)2D材料一樣，磷烯也會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)重的重堆疊問(wèn)題，此外，在合金化和去合金化過(guò)程中造成的較大的體積膨脹，會(huì)破壞磷烯的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響電池性能。

????為了解決上述問(wèn)題，復(fù)合其他互補(bǔ)的2D材料是一種有效的方式。MXenes是一種新興的2D層狀過(guò)渡金屬碳化物/氮化物，具有較高的導(dǎo)電性，良好的彈性以及超高的親水性。MXenes杰出的導(dǎo)電性使電子和堿金屬離子成為半導(dǎo)體或非導(dǎo)電電極材料（如金屬氧化物、硅、磷）理想的互補(bǔ)材料。因此，將磷烯與2D MXene納米片復(fù)合，是解決嚴(yán)重的重堆疊問(wèn)題的一種有效方式。

【成果簡(jiǎn)介】

最近，澳大利亞悉尼科技大學(xué)汪國(guó)秀教授與Hao Liu教授合作，在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上發(fā)表題目為：Boosting Sodium Storage in Two-Dimensional Phosphorene /Ti3C2Tx?MXene Nanoarchitectures with Stable Fluorinated Interphase?的研究論文。該論文通過(guò)原位形成氟化界面，使黑磷/MXene復(fù)合負(fù)極可以穩(wěn)定且快速儲(chǔ)鈉。將磷烯納米片與Ti3C2Tx?MXene復(fù)合不僅可以促進(jìn)電子與鈉離子的轉(zhuǎn)移，還能夠限制結(jié)構(gòu)膨脹，進(jìn)而提升復(fù)合電極的循環(huán)性能，在0.1 A g-1的電流密度下可達(dá)到535 mAh g-1的可逆容量，與此同時(shí)，在1 A g-1的高電流密度下，經(jīng)過(guò)1000次充放電循環(huán)，可以保留初始容量的87%。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.?復(fù)合電極的合成過(guò)程示意圖以及微觀形貌表征：SEM, TEM，HRTEM,STEM和mapping。

圖2.?復(fù)合電極與對(duì)比樣品的XRD，Raman和XPS圖譜。

圖3.??復(fù)合電極的電化學(xué)性能測(cè)試：CV，GCD，循環(huán)穩(wěn)定性，倍率性能以及高電流密度下的循環(huán)性能。

圖4.??復(fù)合電極的深入XPS分析與交流阻抗圖。

圖5.?對(duì)復(fù)合電極和對(duì)比樣品對(duì)鈉的吸附與擴(kuò)散的理論計(jì)算。

【本文總結(jié)】

綜上所述，該論文使用了高導(dǎo)電性的所制備的Ti3C2Tx與高容量的磷烯復(fù)合作為高性能鈉離子電池的負(fù)極材料。實(shí)驗(yàn)探究和理論計(jì)算證明了Ti3C2Tx?MXene在2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)中不僅可以緩沖磷烯的體積膨脹，還可以促進(jìn)鈉離子的擴(kuò)散。除此之外，對(duì)循環(huán)的電極進(jìn)行深入的XPS分析表明MXene的氟基官能團(tuán)通過(guò)形成富含氟的SEI膜，進(jìn)而穩(wěn)定循環(huán)性能并改善庫(kù)倫效率。證明了具有官能團(tuán)的無(wú)機(jī)2D材料可以有效調(diào)節(jié)SEI膜并促進(jìn)電池的電化學(xué)性能。

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