DOI: 10.1021/acsnano.0c10491

作为一类典型的二维（2D）材料，MXenes具有符合储能应用的良好理化特性和潜力。然而，MXenes仍然存在一些2D材料固有的缺点，如在加工和使用过程中会发生严重的重堆积以及储能能力较低等情况。在此，通过原位生物吸附策略，将MXene@N掺杂碳纳米纤维结构设计为高性能钠离子和钾离子电池的负极材料。也就是说，将Ti3C2Tx纳米片组装到黑曲霉生物真菌纳米带上，并转换为2D/1D异质结构。这种微生物衍生的2D MXene-1D氮掺杂碳纳米纤维结构具有完全开放的孔和传输通道，可提供较高的可逆容量和长期稳定性，以存储Na+（在0.1 A g-1下循环1000次可达349.2 mAh g-1）和K+（在1.0 A g-1下循环1000次可达201.5 mAh g-1）。离子扩散动力学分析和密度泛函理论计算表明，这种多孔杂化结构促进了Na和K离子的传导和传输，并充分利用了2D材料的固有优势。综上，这项工作进一步挖掘了MXene材料的潜力，为应对二维储能材料的挑战提供了一种很好的策略。

图1.MXene、生物真菌纳米带和MXene@NCRib杂化纤维的形态。（a）Ti3C2Tx MXene束的扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）生物真菌黑曲霉带的SEM图像。（c）MXene@NCRib杂化纤维的SEM图像。（d）MXene@NCRib杂化纤维的透射电子显微镜（TEM）图像。（e）MXene@NCRib杂化纤维的放大TEM图像。（f）NCRib的高倍透射电镜图像。（g）MXene@NCRib中Ti3C2Tx MXene的高分辨率TEM图像。（h）MXene@NCRib的扫描透射电子显微镜元素图谱。

图2.MXene和MXene@NCRib杂化纤维的物理和化学特性。（a）蚀刻多层Ti3C2Tx、多层Ti3C2Tx和MXene@NCRib的XRD图。（b）MXene@NCRib的拉曼光谱。（c）MXene@NCRib的TG-DSC结果。（d-g）MXene@NCRib的高分辨率X射线光电子能谱：C1s，N1s，Ti2p和O1s。

图3.MXene和MXene@NCRib杂化纤维储存Na+的电化学性能和动力学分析。（a）在0.2 mV s-1的电流密度下进行前三个循环的循环伏安（CV）曲线，（b）在0.1和1.0 A g-1的电流密度下的倍率性能，（c）循环稳定性。（d）不同扫描速率下的CV曲线。（e）用于计算b值的logi-logv图和拟合线。（f）由黄色图案显示当扫描速率为1.0 mV s-1时的电容贡献的CV曲线。（g）不同扫描速率下的电容贡献率。（h）恒电流间歇滴定曲线以及计算得出的扩散系数DNa。

图4.MXene和MXene@NCRib杂化纤维储存K+的电化学性能和动力学分析。（a）在0.2 mV s-1的电流密度下进行前三个循环的循环伏安（CV）曲线，（b）不同扫描速率下的CV曲线，（c）MXene和MXene@NCRib的倍率性能，（d）MXene和MXene@NCRib在电流密度分别为0.1和1.0 A g-1时的循环稳定性。（e）在0.1 A g-1下进行前五个循环的循环稳定性，其中由浅褐色图案显示当扫描速率为1.0 mV s-1时的贡献。（f）不同扫描速率下的电容贡献率。（g）恒电流间歇滴定曲线以及计算得出的扩散系数DK。

图5.存储用MXene和MXene@NCRib杂化纤维的理论计算。（a）Ti3C2Tx MXene和Ti3C2Tx MXene@NCRib在不同Na/K吸附位点的吸附能。电荷密度的差异：（b）吸附在MXene和（c）MXene@NCRib表面的Na；（d）吸附在MXene和（e）MXene@NCRib表面的K。