多重范德華(vdW)間隙為通過插層途徑設計人工結構和調控所需性能提供了豐富的機會，超越了傳統概念的范疇。有趣的是，電化學插層策略可以精確和可逆地調節帶電功能物種的插層程度。本研究提出了一種通過電化學插層促進的有效結構編輯方案來工程化MXene層間，最終通過原位構建碳納米管(CNT)電橋來增強離子存儲和傳輸通道。該方法允許精確調控電化學力以定制材料用于特定應用。深度插層和原位生長過程在MXene和CNT之間建立了穩固的錨定位點和連接樞紐，確保了先進電極材料的結構均一性和穩定性。結果證明了電化學介導的MXene層間納米工程的有效性，為設計具有定制功能的vdW異質結構提供了多功能方法，可用于能源存儲和轉換應用。本工作突出了電化學調控在推進下一代能源存儲技術材料工程策略中的潛力。
Fig 1. 通過電化學插層策略跨越 m-MXene 層的 CNT 電橋的示意圖制備過程和超級電容器的應用。
Fig 2. 茂金屬插層 m-MXene 的表征和機理。（a） 茂金屬插層 m-MXene 在各種電位下的電化學路線的 XRD 圖譜。（b） 茂金屬插層 m-MXene 的 FT-IR 光譜。（c） [Co（Cp）
2]
+-m-MXene 通過施加 −1 V 的偏壓得到的 EDS 映射圖像。（d） Co（Cp）
2 和 [Co（Cp）
2]
+ 的插層過程和氧化還原轉化機制示意圖。（e） 雙電極器件的循環伏安法 （CV） 曲線，其中 m-MXene 顆粒作為工作電極，石墨棒作為對電極。使用的二茂鐵/二茂鐵偽參比顯示在面板 （e） 的底部插圖中。（f） 原位電化學 XRD 圖譜和 （g） 常數 −1 V 偏置下插層過程的等值線圖。（h） 通過施加 -1 V 的偏壓對插層產物的 Co 2p 截面的 X 射線光電子能譜 （XPS） 光譜。（i） 從 -1 到 -2 V 得出的原始 m-MXene 和茂金屬插層
m-MXene 的 Ti K 邊緣 X 射線吸收近邊緣結構光譜 （XANES），以及 TiO 和 TiO
2 的光譜.（j） -1.0 V-Co 和 -2.0 V-Co 的小波變換擴展 X 射線吸收精細結構 （EXAFS）。（k） 描述了具有鈷烯的 MXene 層的電荷轉移特性。在面板中，黃色和青色區域分別代表電子密度的增加和減少。
Fig 3. 茂金屬物種電化學插層過程的 MD 模擬。（a） 基于 MXene 的電化學插層構型的 MD 模擬模型示意圖。（b） 電解質組成的原子結構示意圖。（c） -1 V 中性和外加偏壓下的原子結構示意圖，右插圖顯示了位于 MXene 層之間的鈷烯分子的示意圖。（d） 電解質
N電解質的原子序數和 MXene 層之間的凈電荷隨電極上附加電荷的增加和減少而變化。
Fig 4. −1 V-CNTs-m-MXene 的表征。（a） −1 V-CNTs-m-MXene 的 SEM 圖像。（b） −1 V-CNTs-m-MXene 的 TEM 圖像與插圖 SAED 圖像。（c） m-MXene 和 （d） −1 V-CNTs-m-MXene 的 HR-TEM 圖像。（e） −1 V-CNTs-m-MXene 的區域電子能量損失譜 （EELS） 映射圖像。Ti：藍色，C：紅色，Co：黃色。（f） −1 V-CNTs-m-MXene 的 EELS 分析。HR-TEM 圖像 （g） 并進一步放大了 −1 V-CNTs-m-MXene 之一。（h） 原子分辨率高角度環形暗場 （HAADF） TEM 圖像和相應的原子排列。（i，j）分別為 m-MXene 的 HRTEM 圖像和相應的應變圖。（k，l）分別為 CNTs-m-MXene 納米片的 HRTEM 圖像和相應的應變圖。（m） 來自不同偏壓的 CNTs-m-MXene 的拉曼光譜和 （n） XRD 圖譜。（o） −1 V-CNTs-m-MXene 的 C 1s 截面的 XPS 譜圖。
Fig 5. 來自各種偏壓的 CNTs-m-MXene 的電化學評估。（a） 掃描速率為 20 mV s
–1 時的 CV 曲線。（b） 不同掃描速率下−1 V-CNTs-m-MXene的CV曲線。（c） 制備的 m-MXene-700 和 CNTs-m-MXene 的奈奎斯特圖。（d） 測定 m-MXene-700 和 CNTs-m-MXene 從 1 到 20 mV/s 的陽極峰值（放電）電流 （
p） 對數與掃描速率 （ν） 對數的斜率
b 值。（e） CNTs-m-MXene 異質結構電極的電荷轉移機制。（f） 不同掃描速率下表面和擴散控制過程對 CNTs-m-MXene 的貢獻。（g） CNTs-m-MXene 在 −1.8 和 1.0 V 之間的原位 Ti K-edge XANES 光譜，包括充放電過程中的五個電位點。（h） 全勢掃描期間 Ti 邊緣能量（從歸一化 XANES 光譜的一階導數獲得）與電位的變化。（i） 相應的傅里葉變換 Ti K 邊緣 EXAFS 光譜。（j） 原始 CNTs-m-MXene 電極在充放電過程中和五個電位點下的小波變換 EXAFS。
相關研究工作由中科院寧波材料所Kun Liang和溫州大學Yao Xiao課題組于2024年聯合在線發表在《ACS NANO》期刊上，Facilitating Ion Storage and Transport Pathways by In Situ Constructing 1D Carbon Nanotube Electric Bridges between 2D MXene Interlayers，原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09475
轉自《石墨烯研究》公眾號
