中國儲能網訊：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)已經廣泛應用于超級電容器、鋰離子電池、儲氫、污水凈化、光催化等領域。雖然MXene材料在電化學儲能領域具有良好性能，但是其層間儲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的層間域進一步增大，且達到可控，從而進一步有效利用其儲能空間？近日，浙江工業(yè)大學陶新永教授團隊利用陽離子表面活性劑、金屬錫離子等對MXene進行預柱撐和柱撐處理，制備了一種新型高性能的“柱撐結構”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電容器之間的一種電化學儲能器件，同時兼具超級電容器的高功率密度以及鋰離子電池高能量密度等特點。目前鋰離子電容器負極材料主要是一些嵌入型材料（如TiO2-B、Li4TiO12等）。然而，嵌入型負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材料因其高電導率、低鋰離子擴散能壘等優(yōu)點，在鋰離子電容器中展現(xiàn)出良好的應用前景，但受制于層間域有限，其儲鋰容量尚需改善。
CTAB-Sn(IV)@Ti3C2納米復合材料的制備流程圖
受黏土材料獨特的“柱撐結構”啟發(fā)，浙江工業(yè)大學團隊基于靜電吸附原理，利用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）等陽離子表面活性劑對Ti3C2?MXene進行預柱撐處理；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“柱撐結構”CTAB-Sn(IV)@Ti3C2納米復合材料。研究發(fā)現(xiàn)，通過利用不用尺寸的陽離子表面活性劑（CTAB、STAB等）在不同溫度對MXene預柱撐處理，可精確控制MXene材料的層間距大小（1-2.708 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)異的電化學性能：當電流密度為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%，庫倫效率接近100%。該材料應用于鋰離子電容器中，其優(yōu)異的電化學性能源自獨特的“柱撐效應”： 由于層間的限域作用，MXene層間填充活性物質錫材料難以粉化，錫除了自身提供容量之外，其放電產物錫鋰合金會產生體積膨脹，能夠進一步撐大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隊前期報道的研究，利用堿金屬離子和錫離子對MXene進行柱撐獲得超高體積比容量的鋰離子電池負極材料的后續(xù)研究工作。
鋰離子電容器工作原理圖及相關性能圖
這種利用陽離子表面活性劑預柱撐、金屬離子柱撐制備具有“柱撐結構”的MXene復合材料的方法，將有助于其他具有獨特功能的“柱撐結構”MXene材料的發(fā)展，拓展MXene材料的應用范圍。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
陶新永教授簡介
陶新永，浙江工業(yè)大學教授，材料學院副院長。2007年于浙江大學取得博士學位，2007年-2008年在美國南卡羅來納大學機械系從事博士后研究，2008年10月起就職于浙江工業(yè)大學。2014年-2015年，美國斯坦福大學材料系訪問學者。研究領域是碳基儲能材料。在相關領域發(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“新世紀優(yōu)秀人才”、浙江省“錢江學者”特聘教授、浙江省新世紀“151人才工程”第一層次等人才計劃。
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
