化石燃料对环境的有害影响加速了人们对氢能、太阳能和风能等替代能源的探索。与此同时，锂离子电池（LIBs）、超级电容器和钠离子电池（SIBs）等能量转换和存储设备近年来也受到了广泛关注。在以往的报告中，各种过渡金属氧化物，尤其是 Fe2O3，已被用作LIBs和SIBs的负极材料。二维碳基材料MXene具有出色的导电性，经常被用来在电化学储能设备中制造定制的异质结构，从而改善特定的性能特征。然而，这些材料存在结构塌陷和导电率低的问题，这促使人们探索替代电极材料。本研究介绍了一种创新的方法，将层间距增大的N-Ti3C2Tx MXene与环境友好的MOF-Fe2O3@碳纳米纤维结合，构建一种独特的夹层状异质结构，展示出了卓越的储锂/钠性能。
近日，江南大学乔辉教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Increased interlayer spacing N-doping Ti3C2Tx MXene-based mezzanine heterostructure for enhanced performance lithium/sodium storage”。研究者通过煅烧蚀刻后的Ti3C2Tx MXene合成出N-Ti3C2Tx MXene，然后与MOF-Fe2O3@碳纳米纤维冷冻干燥制备出具有夹层异质结构的 FCNM 复合材料。得益于氮掺杂，它增强了电化学活性并增加了Ti3C2Tx MXene层间距离，从而改善了FCNM2电极与电解质之间的界面接触。其中，FCNM2在LIBs和SIBs中表现出优异的电化学性能，并显示出快速的反应动力学。在锂电池半电池中，FCNM2 电极在5 A g-1条件下，即使循环2800次，仍能提供314 mAh g-1的容量。同样，在 SIBs 半电池中，经过3000次循环后，2 A g-1时的容量为209 mAh g-1。此外，FCNM2 的赝电容主导行为还通过LIBs和SIBs在不同扫描速率下的 CV 曲线得到了验证。此外，通过使用组装的 FCNM2//LiCoO2和FCNM2//Na3V2(PO4)3全电池为LED灯泡照明，证实了其实际应用。这些结果凸显了夹层异质结构 FCNM2 复合材料作为锂/钠储能应用负极材料的巨大潜力。
图1：夹层状异质结构Fe2O3@C@N-Ti3C2Tx MXene制备示意图
图2：夹层状异质结构Fe2O3@C@N-Ti3C2Tx MXene的形貌表征
该项工作中，通过静电纺丝、原位生长、碳化处理合成了MOF-Fe2O3@CNFs，再将刻蚀后的Ti3C2Tx MXene与NH4Cl混合煅烧，制得N-Ti3C2Tx MXene。再经过冷冻干燥复合制备了夹层状异质结构Fe2O3@C@N-Ti3C2Tx MXene。氮元素掺杂不仅在纳米尺度上增大了晶面间距，使锂/钠离子更快速的嵌入/脱出，而且取代了原本的惰性碳原子，大大增强了电化学活性。相比于传统的Ti3C2Tx MXene电极，该方法构建了特殊的三维夹层状异质结构，充分发挥了MOF-Fe2O3@C的高导电性以及N-Ti3C2Tx MXene的电化学活性和空间限制效应，大大提高了电化学过程中的离子传输效率和稳定性。
图3：夹层状异质结构Fe2O3@C@N-Ti3C2Tx MXene在锂离子电池中的性能
图4：夹层状异质结构Fe2O3@C@N-Ti3C2Tx MXene在钠离子电池中的性能
为了研究夹层状Fe2O3@C@N-Ti3C2Tx MXene作为电极材料的电化学性能，分别组装了锂离子和钠离子半电池。测试结果显示，锂离子电池的测试中，在10 A/g的大电流密度下仍能够保持226 mAh/g的可逆容量，并在5 A/g下循环4000周，放电容量为309 mAh/g。钠离子电池的测试中，在5 A/g的电流密度下容量为135 mAh/g，在2 A/g下循环3000周仍能保持209 mAh/g的可逆容量。以上测试结果表明： i) 在氮掺杂热处理过程中，Ti3C2Tx MXene 的层间距增大，提供了更宽的离子传输通道。在 N-Ti3C2Tx MXene 中，活性氮原子取代了惰性碳原子，为Li+/Na+暴露出更多的活性位点，并在电解质和FCNM2电极之间创造了更大的表面积；ii) 多孔MOF衍生的Fe2O3@CNFs增加了与电解质的接触界面，构建了更多的Li+/Na+运输通道，提供了更高的容量；iii) 独特的夹层异质结构起到了出色的空间限制作用，缓解了体积膨胀，从而保持了循环稳定性。
图5：夹层状异质结构Fe2O3@C@N-Ti3C2Tx MXene在全电池中的应用
为验证夹层状Fe2O3@C@N-Ti3C2Tx MXene的实际应用潜力，将其组装为FCNM2//LiCoO2和FCNM2//Na3V2(PO4)3全电池，可以看出其应用在LIBs和SIBs全电池中分别能够点亮56个和42个LED小灯泡，并同样具有优异的循环稳定性。因此，夹层状Fe2O3@C@N-Ti3C2Tx MXene作为负极材料展现出了广阔的应用前景，为下一代可充电电池的电极材料构建提供了新思路。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155814
人物简介：
乔辉，江南大学教授、博士研究生导师。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省产学研联合创新基金、中国博士后科学基金特别资助及面上项目等国家（或省部）级项目。近年来在Advanced Fiber Materials、Small、Chemical Engineering Journal和 ACS Applied Materials & Interfaces等期刊共发表SCI论文80余篇，他引2000余次；参编《Functional Nanofibers and Their Applications》英文教材1部；授权发明专利5项；荣获教育部自然科学奖二等奖、中国纺织工业联合会科技进步奖三等奖、中国商业联合会科技进步奖三等奖等5项。
