中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：二維MXene是一類二維過渡金屬碳/氮化物晶體材料。作為新型二維材料，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器、鋰離子電池、儲(chǔ)氫、污水凈化、光催化等領(lǐng)域。雖然MXene材料在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有良好性能，但是其層間儲(chǔ)能空間尚未完全開發(fā)利用。那么，有沒有可能使用一些新方法，使MXene的層間域進(jìn)一步增大，且達(dá)到可控，從而進(jìn)一步有效利用其儲(chǔ)能空間？近日，浙江工業(yè)大學(xué)陶新永教授團(tuán)隊(duì)利用陽(yáng)離子表面活性劑、金屬錫離子等對(duì)MXene進(jìn)行預(yù)柱撐和柱撐處理，制備了一種新型高性能的“柱撐結(jié)構(gòu)”MXene材料，并成功用于鋰離子電容器。
鋰離子電容器是介于鋰離子電池與超級(jí)電容器之間的一種電化學(xué)儲(chǔ)能器件，同時(shí)兼具超級(jí)電容器的高功率密度以及鋰離子電池高能量密度等特點(diǎn)。目前鋰離子電容器負(fù)極材料主要是一些嵌入型材料（如TiO2-B、Li4TiO12等）。然而，嵌入型負(fù)極材料因其較低的容量以及較差的倍率性能已不能滿足高能量密度、高功率密度鋰離子電容器的需求。二維MXene材料因其高電導(dǎo)率、低鋰離子擴(kuò)散能壘等優(yōu)點(diǎn)，在鋰離子電容器中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但受制于層間域有限，其儲(chǔ)鋰容量尚需改善。
CTAB-Sn(IV)@Ti3C2納米復(fù)合材料的制備流程圖
受黏土材料獨(dú)特的“柱撐結(jié)構(gòu)”啟發(fā)，浙江工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于靜電吸附原理，利用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）等陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)Ti3C2?MXene進(jìn)行預(yù)柱撐處理；而后利用離子交換原理，將Sn4+填充到Ti3C2?MXene層間，制備出具有超大層間距的“柱撐結(jié)構(gòu)”CTAB-Sn(IV)@Ti3C2納米復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，通過利用不用尺寸的陽(yáng)離子表面活性劑（CTAB、STAB等）在不同溫度對(duì)MXene預(yù)柱撐處理，可精確控制MXene材料的層間距大?。?-2.708 nm）。將此類材料與活性炭正極匹配，組裝成鋰離子電容器（CTAB-Sn(IV)@Ti3C2//AC），展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能：當(dāng)電流密度為0.2、0.5、1、2、5 A/g，比電容分別為51、42、34、33、25 F/g（基于CTAB?Sn(IV)@Ti3C2和AC的重量）和268、220、181、173、132 F/g（基于CTAB?Sn(IV)@Ti3C2的重量）。在電流密度2 A/g下，循環(huán)4000次，容量保持率為71.1%，庫(kù)倫效率接近100%。該材料應(yīng)用于鋰離子電容器中，其優(yōu)異的電化學(xué)性能源自獨(dú)特的“柱撐效應(yīng)”： 由于層間的限域作用，MXene層間填充活性物質(zhì)錫材料難以粉化，錫除了自身提供容量之外，其放電產(chǎn)物錫鋰合金會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，能夠進(jìn)一步撐大MXene的層間域，使更多的Li+嵌入MXene層間，賦予MXene更高容量。此論文也是該研究團(tuán)隊(duì)前期報(bào)道的研究，利用堿金屬離子和錫離子對(duì)MXene進(jìn)行柱撐獲得超高體積比容量的鋰離子電池負(fù)極材料的后續(xù)研究工作。
鋰離子電容器工作原理圖及相關(guān)性能圖
這種利用陽(yáng)離子表面活性劑預(yù)柱撐、金屬離子柱撐制備具有“柱撐結(jié)構(gòu)”的MXene復(fù)合材料的方法，將有助于其他具有獨(dú)特功能的“柱撐結(jié)構(gòu)”MXene材料的發(fā)展，拓展MXene材料的應(yīng)用范圍。這一成果近期發(fā)表在ACS Nano 上，文章的第一作者是浙江工業(yè)大學(xué)博士研究生羅劍敏。
該論文作者為：Jianmin Luo, Wenkui Zhang, Huadong Yuan, Chengbin Jin, Liyuan Zhang, Hui Huang, Chu Liang, Yang Xia, Jun Zhang, Yongping Gan, and Xinyong Tao
陶新永教授簡(jiǎn)介
陶新永，浙江工業(yè)大學(xué)教授，材料學(xué)院副院長(zhǎng)。2007年于浙江大學(xué)取得博士學(xué)位，2007年-2008年在美國(guó)南卡羅來納大學(xué)機(jī)械系從事博士后研究，2008年10月起就職于浙江工業(yè)大學(xué)。2014年-2015年，美國(guó)斯坦福大學(xué)材料系訪問學(xué)者。研究領(lǐng)域是碳基儲(chǔ)能材料。在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表論文100余篇，其中在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Energy Mater. 等IF>10的期刊上以第一或通訊作者發(fā)表12篇，論文被引用近3500次，6篇入選ESI高被引論文，H因子為35。曾獲得教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”、浙江省“錢江學(xué)者”特聘教授、浙江省新世紀(jì)“151人才工程”第一層次等人才計(jì)劃。
http://www.x-mol.com/university/faculty/18741
近期論文：
1. Tao, Xinyong, Wang, Jiangu, Liu, Chong, Wang, Haotian, Yao, Hongbin, Zheng, Guangyuan, Seh, Zhiwei, Cai, Qiuxia, Li, Weiyang, Zhou, Guangmin, Zu, Chenxi, Cui, Yi*, Balancing Surface Adsorption and Diffusion of Lithium-Polysulfides on Nonconductive Oxides for Lithium-Sulfur Battery Design, Nature Communications (ESI高被引論文), 2016, 7: 11203
2. Tao, Xinyong, Wang, Jianguo, Ying, Zhuogao, Cai, Qiuxia, Zheng, Guangyuan, Gan, Yongping, Huang, Hui, Xia, Yang, Liang, Chu, Zhang, Wenkui*, Cui, Yi*, Strong Sulfur Binding with Conducting Magneli-Phase TinO2n-1 Nanomaterials for Improving Lithium-Sulfur Batteries, Nano Letters (ESI高被引論文), 2014, 14(9): 5288-5294
3. Luo, Jianmin, Zhang, Wenkui, Yuan, Huadong, Jin, Chengbin, Zhang, Liyuan, Huang, Hui, Liang, Chu, Xia, Yang, Zhang, Jun, Gan, Yongping, Tao, Xinyong*, Pillared Structure Design of MXene with Ultra-Large Interlayer Spacing for High Performance Lithium-Ion Capacitors, ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b07668
4. Luo, Jianmin, Tao, Xinyong*, Zhang, Jun, Xia, Yang, Huang, Hui, Zhang, Liyuan, Gan, Yongping, Liang, Chu, Zhang, Wenkui*, Sn4+ Ions Decorated Highly Conductive Ti3C2 MXene: Promising Lithium-Ion Anodes with Enhanced Volumetric Capacity and Cyclic Performance, ACS Nano (ESI高被引論文), 2016, 10(2): 2491-2499
5. Tao, Xinyong, Fan, Zheng, Dong, Lixin*, Nelson, Bradley J., Dharuman, Gautham, Zhang, Wenkui, Li, Xiaodong*, Internal Electron Tunneling Enabled Ultrasensitive Position/Force Peapod Sensors, Nano Letters, 2015, 15(11): 7281-7287
6. Xia, Yang, Xiao, Zhen, Dou, Xiao, Huang, Hui, Lu, Xianghong, Yan, Rongjun, Gan, Yongping, Zhu, Wenjun, Tu, Jiangping, Zhang, Wenkui*, Tao, Xinyong*, Green and Facile Fabrication of Hollow Porous MnO/C Microspheres from Microalgaes for Lithium-Ion Batteries, ACS Nano (ESI高被引論文), 2013, 7(8): 7083-7092
