MXenes因具有更低的鋰離子擴散勢壘和優異的導電性被認為是新一代鋰離子電池負極材料。然而，它們的結構易發生團聚和堆積，阻礙鋰離子和電子的進一步穿梭，導致放電容量較低。因此引入層間間隔物制備MXene基雜化材料受到廣泛關注。引入普魯士藍類似物（PBAs）作為新型層間間隔物與MXene納米片結合，不僅可以保留MXene的高導電性并抑制PBA組分的體積膨脹和結構降解，還可以繼承PBA比表面積大、孔隙率高的特點。通過智能調控MXene片層的尺寸，成功獲得了既具有常見的夾層結構又具有優異的核殼結構的Co-PBA@MXene雜化材料。此外，通過智能控制Co-PBA與MXene的質量比，智能調節MXene殼層厚度，制備出Co@M(x:y)雜化材料。其中，Co@M(5:2)負極表現出優異的容量（100次循環后，在0.2 A g-1下為603 mA h g-1）和優異的長期循環穩定性，這得益于MXene殼層提供的保護和導電性能以及Co-PBA核層的多氧化還原對和豐富的孔隙率。
圖 1. 制備不同結構的Co-PBA/MXene和Co-PBA/GO混合物的示意圖。
圖 2. a1) Co/M(5:2) 夾層結構、b1) Co@M(5:1)、c1) Co@M(5:2) 和 d1) Co@M(5:3) 核殼結構的結構模型。a2-a3) Co/M(5:2) 夾層結構、b2-b3) Co@M(5:1)、c2-c3) Co@M(5:2) 和 d2-d3) Co@M(5:3) 核殼結構的 SEM 圖像。a4) Co/M(5:2) 夾層結構、b4) Co@M(5:1)、c4) Co@M(5:2) 和 d4) Co@M(5:3) 核殼結構的 TEM 圖像。 a5) Co/M(5:2) 夾層結構、b5) Co@M(5:1)、c5) Co@M(5:2) 和 d5) Co@M(5:2) 核殼結構的 HR-TEM 圖像。a6) Co/M(5:2) 夾層結構和 d6) Co@M(5:2) 核殼結構的 EDS 元素映射圖像。
圖3. a) XRD 譜圖 b) 拉曼光譜 c) Co-PBA、MXene、Co/M(5:2)、Co@M(5:1)、Co@M(5:2) 和 Co@M(5:3) 的 FTIR 曲線。d) Co-PBA、Co/M(5:2) 和 Co@M(5:2) 的 Co 2p 光譜。e) MXene、Co/M(5:2) 和 Co@M(5:2) 的 Ti 2p 光譜。f) Co-PBA、MXene 和 Co@M(5:2) 的 C 1s 光譜。
圖 4. a) Co@M(5:2) 在 0.01-3.0 V (vs Li+/Li) 范圍內的 CV 曲線，掃描速率為 0.1 mV s−1。b) Co@M(5:2) 在 200 mA g−1 下的 GCD 曲線。c) 所得 Co@M(5:2) 負極在 200 mA g−1 下的循環性能。d) MXene、Co/M(5:2)、Co@M(5:1)、Co@M(5:2) 和 Co@M(5:3) 負極在 200 和 500 mA g−1 下經過 100 次循環后的循環性能匯總柱狀圖。e) 所得 MXene、Co-PBA、Co/M(5:2)、Co@M(5:1)、Co@M(5:2) 和 Co@M(5:3) 負極的倍率能力。 f) 循環后獲得的陽極的奈奎斯特圖。g) Co@M(5:2) 陽極在 1 A g-1 下的長期循環性能。h) 將本研究中的循環性能與最近報道的 LIBs 中的 MXene/MOF 混合物進行比較，該比較來自表 S2（支持信息）。
圖 5. a) MXene、b) Co-PBA、c) Co/M(5:2)夾層結構、d) Co@M(5:2)核殼結構在循環過程中鋰離子插入和脫出過程中結構變化示意圖。e,f) Co@M(5:2)結構的儲鋰機制示意圖。
圖 6. a) Co@M(5:2) 負極在 200 mA g−1 下的 GCD 曲線。b) Co@M(5:2) 負極的原位 XRD 表征。c,d) 相應的原位 XRD 計數器。e) Ti 2p 光譜。f) 循環后 MXene 和 Co@M(5:2) 負極的 Li 1s 光譜。g-i) Co-PBA、MXene 納米片和 Co@M(5:2) 混合物的模型。j) 鋰離子吸附能圖。k) Co-PBA、MXene 納米片和 Co@M(5:2) 混合物的 DOS 圖。
相關科研成果由揚州大學Huan Pang，薩斯喀徹溫大學Jinbing Cheng等人于2024年發表在Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202416665）上。原文：Prussian Blue Analogues “Dressed” in MXene Nanosheets Tightly for High Performance Lithium-Ion Batteries
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202416665
轉自《石墨烯研究》公眾號
