昆士兰科技大学与吉林大学--具有超快离子传输的强耦合二维过渡金属硫化物-MXene-碳质纳米带异质结构，用于促进钠/钾离子存储

结合二维（2D）纳米材料的优势，MXenes在下一代可充电电池中显示出巨大的潜力。与其他二维材料类似，MXenes 通常存在严重的自堆叠、低容量和不满意的耐用性，尤其是对于较大的钠/钾离子，影响了它们的实用价值。在这项工作中，设计了一种由过渡金属硒化物（MSe、M = Cu、Ni和Co）、MXene 纳米片和具有超快离子传输特性的富氮碳质纳米带（CNRibs）自组装的新型三元异质结构，用于缓慢的钠离子传输。离子(SIB)和钾离子(PIB) 电池。受益于不同的化学特性，带正电荷的MSe通过静电吸附固定在带负电的羟基(-OH) 功能化的 MXene表面上，而真菌衍生的CNRib通过氨基桥接和氢键与MXene的另一侧键合。这种独特的基于MXene的异质结构可防止2D材料的重新堆叠，增加内在的电导率，最重要的是，提供了超快的界面离子传输途径和额外的表面和界面存储位点，从而提高了SIB和PIB中的高速存储性能。

Figure 1. 前体材料和由过渡金属硒化物、Ti₃C₂T_x MXene和真菌衍生的富氮碳质纳米带(MSe-MXene-CNRib)组成的异质结构的形态表征：（a）黑曲霉衍生的碳质纳米带的SEM图。（b）少层Ti₃C₂T_x MXenes的SEM图。（c）MXene@fungus衍生的碳质纳米带的SEM图。Cu_1.75Se-MXene-CNRib的（d）SEM图和（e）放大图。（f）Cu_1.75Se-MXene-CNRib的STEM元素映射。（g）Cu_1.75Se-MXene-CNRib 的TG-DSC曲线。（h）Cu_1.75Se-MXene-CNRib、NiSe₂-MXene-CNRib和CoSe₂-MXene-CNRib的氮吸附-解吸等温线和（i）孔径分布。

Figure 2.前体材料和由过渡金属硒化物、Ti₃C₂T_x MXene和真菌衍生的富氮碳质纳米带（MSe-MXene-CNRib）组成的异质结构的结构表征：（a-b）Cu_1.75Se-MXene-CNRib，（c-d）NiSe₂-MXene-CNRib和（e-f）CoSe₂-MXene-CNRib的TEM和HRTEM图。（g-i）Cu_1.75Se-MXene-CNRib、NiSe₂-MXene-CNRib和CoSe₂-MXene-CNRib的元素映射

Figure 3.前体材料和由过渡金属硒化物、Ti₃C₂T_x MXene和真菌衍生的富氮碳质纳米带(MSe-MXene-CNRib)组成的异质结构的成分分析：（a）Ti₃C₂T_x、Cu_1.75Se-MXene-CNRib、NiSe₂- MXene-CNRib和CoSe₂-MXene-CNRib的XRD图。（b）黑曲霉、CNRib、MXene-CNRib和Cu_1.75Se-MXene-CNRib的FTIR 结果。（c）黑曲霉、CNRib和MXene-CNRib的拉曼位移。（d）CNRib和Cu_1.75Se-MXene-CNRib的高分辨率C 1 s XPS光谱。（e）原始Ti₃C₂T_x MXene和Cu_1.75Se-MXene-CNRib的高分辨率Ti 2p XPS光谱

Figure 4. MSe-MXene-CNRib异质结构的电化学Na离子存储性能：对于（a）Cu_1.75Se-MXene-CNRib、（b）NiSe₂-MXene-CNRib和（c）CoSe₂-MXene-CNRib，前三个循环在 0.2 mV s^-1 扫描速率下的CV曲线。某些特定充放电循环的GCD曲线：（d）Cu_1.75Se-MXene-CNRib、（e）NiSe₂-MXene-CNRib和（f）CoSe₂-MXene-CNRib。（g）0.1 A g^-1时的倍率性能和循环稳定性。（h）1.0 A g⁻¹时的循环稳定性。

Figure 5.（a）用于储钠的Cu_1.75Se-MXene-CNRib负极的充放电曲线。（b）Cu_1.75Se-MXene-CNRib在特定电位下的XRD图谱。（c）在特定电位下Cu_1.75Se-MXene-CNRib 的Na元素映射。不同充电/放电阶段的（d）非原位Cu元素的 LMM高分辨俄歇电子能谱和（e）Se 3d的高分辨XPS光谱。

Figure 6.对过渡金属硒化物和真菌衍生的富N碳纳米带(MSe-MXene-CNRib)组成的异质结构进行电化学测量的Na⁺的动态特性：（a）Cu_1.75Se-MXene-CNRib在不同扫描速率下的CV曲线。（b）Cu_1.75Se-MXene-CNRib的峰值电流与各种扫描速率之间的线性对数关系。（c）Cu1.75Se-MXene-CNRib 在1.0 mV s^-1 时的CV曲线，带有阴影区域的是指赝电容占的比例。（d）MSe-MXene-CNRib纳米杂化物在不同扫描速率下容量贡献比。（e）Cu_1.75Se-MXene-CNRib的GITT电位曲线和相应的Na离子扩散率与MSe-MXene-CNRib样品的钠化/脱钠状态.

Figure 7. Cu_1.75Se-MXene-CNRib 异质结构的电化学K离子存储性能：（a）前三个循环的CV曲线，扫描速率为0.2 mV s^-1。（b）不同扫描速率下的CV曲线。（c）峰值电流与各种扫描速率之间的线性对数关系。（d）扫描速率为1.0 mV s⁻¹时的CV曲线，带有虚线区域是赝电容占的比例。（e）扩散控制和赝电容过程的标准化容量贡献率。（f）倍率性能，（g）在0.1和1.0 A g^-1下的循环性能。（h）GITT和相应的DK值。

Figure 8. 由过渡金属硒化物和真菌衍生的富氮碳质纳米带(MSe-MXene-CNRib) 组成的异质结构中Na/K吸附和扩散的理论计算：（a）吸附Na的原始MXene、Cu_1.75Se-MXene- CNRib、NiSe₂-MXene-CNRib和CoSe₂-MXene-CNRib的态密度。（b）计算的Cu_1.75Se-MXene-CNRib、NiSe₂-MXene-CNRib和CoSe₂-MXene-CNRib 中最稳定的Na吸附位点的吸附能。（c）Na吸附的Cu_1.75Se-MXene-CNRib、NiSe₂-MXene-CNRib和CoSe₂-MXene-CNRib的电荷密度差异。（d）Cu_1.75Se和Ti₃C₂O₂@N掺杂碳层间Na/K扩散的能量分布。

相关研究成果由澳大利亚昆士兰科技大学Ziqi Sun课题组与吉林大学Wei Han课题组于2021年发表在《Nano-Micro Letters》（https://doi.org/10.1007/s40820-021-00623-5）上。原文：Strongly Coupled 2D Transition Metal Chalcogenide‑MXene‑Carbonaceous Nanoribbon Heterostructures with Ultrafast Ion Transport for Boosting Sodium/Potassium Ions Storage。