双过渡金属Ti2NbC2Tx MXene用于高性能储锂

【背景介绍】

MXene是一种新兴的二维层状材料，因其优异的性能在各种储能设备中受到了全世界的关注。然而，原始MXene的低容量限制了其在储能设备中的应用，尤其是锂离子电池 (LIB)。为了解决上述问题，本文成功制备了稳定且高导电的双过渡金属MXene (Ti2NbC2Tx)，它更大的层间距和出色的导电性加快了离子扩散和电荷转移。

最终，以Ti2NbC2Tx作为LIBs的负极，在0.1 A g-1下400次循环后具有196.2 mAh g-1的优异比容量和约100%的循环稳定性。除此以外，Ti2NbC2Tx在1A g-1的电流密度下，循环4000次后仍然表现出81%容量保持率，优于Ti3C2Tx和各种先前报道的基于MXene的材料。我们的结果为未来MXene作为储能材料的发展和应用提供了一个有吸引力的策略。

   

【文章亮点】

1. 采用双过渡金属Ti2NbC2Tx MXene作为锂离子存储材料。

2. Nb的加入可以扩大层间间距，促进锂离子的快速扩散。

3.Nb的掺杂可以提高电导率，促进电子传输。

4. Ti2NbC2Tx的比容量为196.2 mAh g-1，在0.1 A g-1的条件下，循环400次后比容量保持率几乎高达100%。  

【内容简介】

日前，燕山大学大学材料科学与工程学院的张新宇教授课题组联合泰国朱拉隆功大学秦家千研究员课题组在Rare Metals上发表了题为“A double transition metal Ti2NbC2Tx MXene for enhanced lithium-ion storage”的研究文章，成功制备了稳定且高导电的双过渡金属MXene (Ti2NbC2Tx) 锂离子存储材料。

引入过渡金属元素Nb形成了四元312相MXene (Ti2NbC2Tx)， Nb的掺杂不仅可以扩大MXene材料的面间距，还可以大大提高Ti2NbC2Tx的电导率。Ti2NbC2Tx在Nb中的优异性能为MXene材料在能量转换和存储领域提供了更广阔的应用前景。  

【图文解析】



图1 （a）Ti2NbAlC2和Ti3AlC2及其刻蚀后的Ti3C2Tx和Ti2NbC2Tx的XRD谱图；（b）为（a）所选区域的XRD谱图；(c)Ti3C2Tx和Ti2NbC2Tx的拉曼光谱；（d）Ti3C2Tx和Ti2NbC2Tx的XPS谱图; （e）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx Ti 2p的XPS精细光谱; （f）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx Nb 3d的XPS精细光谱   加入Nb元素后，(002)晶面对应的衍射峰偏移了一个小角度，导致晶面间距扩大(0.0317 nm)。

随着Ti2NbC2Tx晶间间距的增大，Li+扩散势垒相对较低，从而提高了电化学性能。350 cm-1附近特征峰的波数偏移较低，这意味着加入Nb后，样品表面的-O基团占比增大。

 

图2 （a）Ti3C2Tx和（b）Ti2NbC2Tx的SEM图像;（c、d）超声处理的Ti2NbC2Tx层数较少的TEM图像和Ti2NbC2Tx的IFT图像;（f）Ti, Nb, C元素Ti2NbC2Tx的元素映射图像   图2表明了合成的样品具有均匀的成分和单一的手风琴状薄片结构。

 

图3 （a）Ti2NbC2Tx样品的CV曲线；（b）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx的GCD曲线；（c）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx的倍率性能；（d）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx的EIS曲线；Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx在0.1 A·g-1（e）和1.0 A·g-1（f）下的循环性能和(插图)LED供电照片   图3电化学测试表明了Ti2NbC2Tx拥有优异的倍率性能、低的电荷转移电阻、高的比容量和容量保持率。

 

图4 （a）Ti2NbC2Tx的CV曲线；（b）峰值电流和扫速的关系曲线；（c）不同扫描速率下赝电容和扩散控制归一化比例；（d）2.0 mV s-1下赝电容对整体锂存储容量的贡献。  



图5 （a）Ti2NbC2Tx||LiFePO4全电池的倍率性能；（b）Ti2NbC2Tx||LiFePO4全电池在不同电流密度下的GCD谱图。（c） 0.2 c下Ti2NbC2Tx||LiFePO4全电池的GCD曲线；（c）0.2 c下Ti2NbC2Tx||LiFePO4全电池的循环稳定性  

【全文小结】

1.通过SPS烧结和刻蚀，我们成功地合成了具有独特的手风琴状片层结构的Ti2NbC2Tx。

2.加入Nb元素后，样品获得了更大的面间距，提高了锂离子的输运率和电解液的浸润能力。

3.Nb的加入显著降低了MXene的电荷转移电阻，进一步提高了Li+的存储能力。

4.Ti2NbC2Tx在0.1 A g-1下的比容量为196.2 mAh g-1, 400次循环后的容量保持率约为100%。即使在1 A g-1的高电流密度下，4000次循环后仍能保持81%的容量，表现出很高的可逆性。   






审核编辑：刘清