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兰州大学彭尚龙教授团队Angew：打破MXene被视为导电材料的思维范式，提出MXene诱导引发剂概念
来源：兰州大学 2024-06-14
导读：近日，来自兰州大学材料与能源学院的彭尚龙教授，与英国伦敦大学学院何冠杰副教授、南京大学马晶教授合作，在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Using MXene as a Chemically Induced Initiator to Construct High-Performance Cathodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries”的文章。
MXene材料近年来受到了广泛的关注，最近在水系锌离子电池（AZIB）中得到了广泛的关注，其可以作为阳极或者阴极的主体，或者用于阳极和阴极的支撑材料。此外，MXene材料还可以作为阴极、阳极或者隔膜的人工界面层，或作为液态或凝胶电解质的添加剂。然而，由于其较弱的赝电容存储能力，在通常合成条件或者测试环境下，MXene作为水系锌离子电池电极材料的可逆容量极低（不考虑部分MXene的相转变机制），在阴极材料的研究中通常作为导电材料引入阴极材料中。然而，大量MXene材料作为导电基底的引入，无法避免地将导致电极整体比容量下降，需要提出一种新的策略与概念，超越MXene材料被视为导电基底或框架的思维范式。化学加——科学家创业合伙人，欢迎下载化学加APP关注。近日，来自兰州大学材料与能源学院的彭尚龙教授，与英国伦敦大学学院何冠杰副教授、南京大学马晶教授合作，在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Using MXene as a Chemically Induced Initiator to Construct High-Performance Cathodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries”的文章。该文章依据凝胶电解质工程的启发，提出了一种基于MXene材料的原位诱导生长策略，其中少量MXene的引入被视为诱导生长引发剂，调控阴极材料的晶体生长模式。兰州大学作为第一单位，硕士生陈杰和博士生刘彦鹏作为论文第一作者，彭尚龙教授作为通讯作者。图1. MXene诱导生长策略的概念验证
要点一：钒氧化物生长模式的改变以及诱导生长机理
图2. 诱导材料的形貌结构表征。
上图展示了不同异质成核诱导时间下诱导钒氧化物（T-HVO）的形态，以及XRD、拉曼光谱、EPR谱图等表征结果。这些结果揭示了随着诱导时间的延长，HVO的形态如何从层状结构转变为网状多孔结构，并且展示了晶体结构的变化和二配位氧缺陷的生成。进一步聚焦于ex-Ti3C2和HVO之间的界面层，探索原位诱导生长机制，图中包括了高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像和XPS光谱，以及密度泛函理论（DFT）模拟，用以证明MXene表面特定官能团对HVO生长的影响和两相界面之间的强相互作用。考虑整体阴极材料的质量，文章评估了锌离子电池中HVO和T-HVO电极材料的电化学性能，包括循环伏安（CV）曲线、倍率性能、充放电曲线、电压滞后曲线、容量贡献比较、循环稳定性以及Ragone图。上图展示了锌离子电池中电极材料的电极反应动力学，包括不同电位下的电流密度响应、差分Nyquist图（DNTD）、电位分辨原位电化学阻抗谱（PRIs EIS）以及动力学方程校正步骤（DECS）图6. 原位诱导生长策略进一步拓展与应用的初步讨论。论文最后将原位诱导生长策略并与其他缺陷工程策略进行了比较，T-HVO|Od电极材料的展示了良好的实际应用潜力。
研究团队工作受到聚合物电解质工程的启发，提出了一种基于MXene材料的原位诱导生长策略，该策略通过在钒氧化物（HVO）的成核和生长过程中引入少量的MXene，作为异质成核点和引发剂，成功调控了HVO的形态并引入了晶体缺陷。这种策略不仅在合成阶段直接引入了氧缺陷，而且避免了特定反应环境或容器的需求，实现了高安全性和高产量的特点。通过这种方法得到的诱导钒氧化物（T-HVO）表现出显著提升的电化学性能，包括增加的容量和改善的倍率性能。此外，这项工作还揭示了MXene在晶体生长过程中的诱导化学机制，有助于深入理解、开发和应用水系锌离子电池的正极材料。【文章链接】HTTP://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202408667
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