兰州理工大学Mao-Cheng Liu--二元酸分子焊接实现自适应层状结构Ti3C2 MXene用于快速稳定锂离子存储
Ti3C2因其丰富的表面端点、优异的类金属导电性和可改性的层状结构而被认为是一种潜在的锂离子存储材料。然而，Li+在层间的扩散速率受到范德华力决定的层间小间距的限制。本文利用氨基功能化的Ti3C2 (Ti3C2- NH2)与马来酸(MA)分子的脱水缩合反应，扩大了Ti3C2的层间距。通过HN-C=O键将MA分子成功焊接到Ti3C2层间(即化学焊接)，获得了具有自适应层状结构的MA化学焊接Ti3C2 (MA-Ti3C2)。MA分子对Ti3C2的层状结构有双重作用，它们在Li+插入过程中起到链的作用来缓解体积变化，在Li+萃取过程中起到柱状作用来增强结构稳定性。MA-Ti3C2的层间距为1.28 nm，具有快速的Li+扩散速率(1.4×10-8 ~ 5.8 ×10 -7 cm2 s-1)，提高了Li+的存储性能。MA-Ti3C2//AC锂离子电容器(LIC)在200 W kg-1时的能量密度为102.5 Wh kg-1，在1.0 A g-1循环1000次后的循环稳定性为76.3%。这种新型化学焊接技术为改进层状结构、提高结构稳定性、实现二维材料快速扩散和高速率性能提供了有效的前景。
图1 (a) MA-Ti3C2制备原理图。(b) Ti3C2、Ti3C2- NH2和MA-Ti3C2的FTIR光谱。(C) Ti3C2和(d) MA-Ti3C2的高分辨率C 1s光谱。(e) XRD谱图，(f)氮气吸附/脱附等温线，(g) Ti3C2、Ti3C2 - NH2和MA-Ti3C2的孔径分布。
图2 (a) SEM， (b) TEM， (c) HRTEM。(d) SEM， (e) TEM和(f) HRTEM图像。(g) MA-Ti3C2的Ti、C、N元素TEM映射图。
图3 (a) 0.1 mV s -1时的CV曲线，(b)初始三次循环时的GCD曲线，(c) Ti3C2不同电流密度时的GCD曲线。MA-Ti3C2的前三个循环(d) CV曲线在0.1 mV s -1和(e) GCD曲线在0.1 A g -1。(f) MATi3C2在不同电流密度下的GCD曲线。(g) Ti3C2和MA-Ti3C2在0.1 A g -1下的速率性能和(h)循环稳定性。
图4. MA-Ti3C2的电化学存储行为:(a) CV曲线。(b) b-阴极和阳极峰值。(c)计算在0.2 mV s-1下的表面控制电容贡献。(d)不同扫描速率下表面控制的电容贡献。(e) Ti3C2、Ti3C2-NH2和MA-Ti3C2在不同扫描速率下的电容贡献总结。
图5 Ti3C2和MA-Ti3C2的Li+扩散动力学分析。(a) Nyquist图，(b)复阻抗实部与ω -1/2对应的Nyquist图，(c) GITT曲线，(d) Li+扩散系数，(e) Li+快速扩散示意图，(f)不同电流密度下的容量保持率。
图6 MA-Ti3C2//AC LICs的电化学性能。(a) CV曲线和(b)相同电位窗口0.01-4.0 v下的GCD曲线。(c)循环稳定性和(d) Ragone曲线。
相关科研成果由兰州理工大学Mao-Cheng Liu等人于2021年发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering（https://pubs.acs.org/10.1021/acssuschemeng.1c04210）上。原文：Diacid Molecules Welding Achieved Self-Adaption Layered Structure Ti3C2 MXene toward Fast and Stable Lithium-Ion Storage。