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陈军院士团队Angew:三维羟基MXene/碳纳米管复合材料用于无枝晶钠-金属电极支架
2020-10-15  

金属钠是一种很有前途的负极,但钠沉积不均匀而形成枝晶,严重阻碍了其实际应用。一般来说,钠的不均匀沉积在很大程度上是由于电流密度的不均匀分布、Na+/电子传输动力学和亲钠(成核势垒或局部电位)决定的。与二维MXene材料相比,羟基化MXene材料(h-MXene)具有纤维状的形貌和更多的羟基/氟基含量。先前的研究表明,负载含氧官能团可以改善碳主体的亲钠/亲锂性质,从而导致相对较低的Na/Li成核过电位。因此,h-MXene可以被认为是一种理想的钠金属电极支架。考虑到h-MXene具有相似的纤维形态和易于成膜的特点,碳纳米管可以辅助h-mxene建立支架膜的力学稳定性。然而,目前使用h-MXeneh-MXene/CNTs复合材料作为金属钠电极支架的报道很少。因此,构建一种具有丰富亲钠官能团的三维(3D)亲钠支架,以实现快速的Na+/电子扩散、高导热系数和优异的力学性能具有重要意义。


有鉴于此,我院陈军院士报道了纤维羟基Ti3C2/CNTsh-Ti3C2/CNTs)复合材料的制备,以此作为柔性稳定的三维基体,引导Na均匀成核,无枝晶生长。

本文要点:

1研究人员通过简便的真空过滤方法制备出h-Ti3C2/CNTs基质薄膜。H-Ti3C2具有与CNTs类似的纤维形态,可通过二维分层Ti3C2的简单碱化工艺轻松获得。随着碱化时间的增加,Ti3C2的多层结构逐渐转变为纳米颗粒单元,然后自组装形成一维纤维状h-Ti3C2

2h-Ti3C2/CNTs复合支架具有由自组装的h-Ti3C2CNTs组成的3D多孔互连框架。TEM-EDX元素图谱揭示了C(来自h-Ti3C2纳米带和CNTs)和Ti(来自h-Ti3C2纳米带)的均匀分布,显示h -Ti3C2纳米带与CNTs紧密缠绕在一起。这有助于实现良好的机械性能并形成良性导电网络以促进快速的电子/离子传输。此外,通过 FTIR光谱,发现h-Ti3C2/CNTs有一个新的碳氧单键形成,这表明h-Ti3C2CNTs之间有相当强的相互作用。

3该复合材料具有丰富的亲钠位、良好的导热性能、快速的Na+/电子传递动力学和优异的力学性能。

4制备的h-Ti3C2/CNTs支架在1000多次循环中具有99.2%的平均库仑效率(CE)h-Ti3C2/CNTs/Na基对称电池在1.0 mA·cm-2的电流密度下具有1.0 mAh·cm-2的容量,可在4000 h内保持稳定的镀钠/剥离性能。此外,即使在高达5.0 mAh·cm-2的更高容量或高达10.0 mA·cm-2的高电流密度下,也可以保持低过电位和高稳定性。同时,基于h-Ti3C2/CNTs/Na负极制成的Na-O2全电池在70个循环后显示出0.11 V的低过电势。


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Xin He, et al, 3D hydroxylated MXene/carbon nanotubes composite as scaffold for dendrite-free sodium-metal electrode, Angew. Chem. Int. Ed., 2020

DOI10.1002/anie.202006783

https://doi.org/10.1002/anie.202006783


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