ACS APPLIED ENERGY MATERIALS:用于高级钠储存的超细锑柱撑多层Ti3C2Tx-MXenes
一、文章概述
文中通过简单的静电吸附和退火过程，将Sb超细颗粒巧妙地修饰到柔性的多层Ti3C2T（f-Ti3C2Tx）纳米片上，制备了Sb柱撑Ti3C2Tx（Sb/p-Ti3C2Tx）复合材料。受益于高导电柱撑 f-Ti3C2Tx 和超细 Sb 纳米粒子增强的动力学特性，复合材料在 50 mA g-1 下表现出 438.1 mAh g-1 的可逆充电容量和在 2 时的 126.6 mAh g-1 高保留率。此外，Sb 和 Ti3C2Tx 之间通过 Ti-O-Sb 化学键的强相互作用赋予复合材料高的结构稳定性，导致良好的循环可持续性。并且第一次成功地将 MXenes 的少层状态和支柱技术的双重优势整合到基于 MXene 的 SIB 复合材料中，可以克服 Sb 阳极的缺点，并实现在 SIBs 中开发柱状少层 MXene 复合材料，促进 MXenes 在 SIBs 中的商业化进程。
二、图文导读
图1.f-Ti3C2Tx MXenes 和 Sb/p-Ti3C2Tx 复合材料的制备示意图。
f-Ti3C2Tx和Sb/p-Ti3C2Tx复合材料的合成过程如图1所示。手风琴状m-Ti3C2Tx通过刻蚀Ti3AlC2 MAX相的Al层来合成。随后，在水中通过超声制备了少层状或单层的Ti3C2Tx纳米片。通过分步分层结合液相絮凝技术可以大大提高多层mxens制备f-mxens的产率和生产效率。通过十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）扩大Ti3C2Tx的层间距。随后以SbCl3形式添加的Sb3+通过离子交换过程很容易插入Ti3C2Tx夹层，或由于静电吸引，通过Sb3+（正）和f-Ti3C2Tx（负）之间的相互作用粘附到表面，导致絮凝的形成。经过冷冻干燥和退火处理后，残留的CTAB挥发，锑前驱体还原为金属锑纳米粒子，从而获得Sb/p-Ti3C2Tx。
图2.Sb/p-Ti3C2Tx复合材料的XRD、BET和XPS表征。
XRD图谱表明Sb的前体处于无定形状态。退火过程结束后，Sb的前驱体成功转化为金属Sb（PDF#85-1323；图2b）。BET结果表明经Sb纳米颗粒装饰后，比表面和孔体积都有显著增加。增加的比表面积主要来自超细的Sb颗粒，可提供丰富的活性位点，有利于Na+的快速获取。
图3.(a)类手风琴m-Ti3C2Tx的扫描电镜图像。(b)f-Ti3C2Tx粉末的扫描电镜图像。(c)f-Ti3C2Tx在AAO薄膜上的扫描电镜图像。(d−f)Sb/p-Ti3C2Tx复合材料的扫描电镜图像。(g−j)基于(f)中插图的Ti、C、O、Sb的相应元素映射。(k−m)Sb/p-Ti3C2Tx复合材料的TEM和HRTEM。
SEM结果表明m-Ti3C2Tx为手风琴状，分层过程后，可以得到f-Ti3C2Tx MXenes具有层状形态，表面有轻微的褶皱。图3d-f表明与Sb纳米颗粒合成后，Ti3C2Tx除了部分插入Sb导致厚度明显增加外，仍保留了层状结构EDS元素映射呈现出Sb的均匀复合，透射电镜表明在MXene基质上没有Sb纳米颗粒的聚集(图3l)。所选区域电子衍射(SAED)图样显示了Sb纳米颗粒和Ti3C2Tx的多晶态状态(图3k的插图)。高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)显示，在10nm左右的单分散银纳米颗粒均匀地嵌入在导电的Ti3C2Tx基质中。准确测量显示d间距为0.35nm，对应于金属Sb的（101）平面。
图4.29μm厚的MXene薄膜的性能。
图4a表明当速率从100增加到2000mA g−1时，裸f-Ti3C2Tx的容量保留率达到38%。图4b-c表明材料具有良好的结构稳定性。图4d表明与循环前的新鲜电极值相比，复合材料的电荷传递阻抗明显降低，反映了电极与电解质之间电化学接触的有效激活过程，以及由于循环离子插入/脱插和部分插入Sb的体积膨胀而导致的柔性Ti3C2Tx的层间间距增大。如图4g所示，在扫描速率为0.4 mV−1下，与总电流响应定量分离的电容电流响应的积分结果显示出较高比例的72.7%。高电容贡献比是Sb/p-Ti3C2Tx复合材料的优良速率性能的原因，这是由于优良的理化性能、先进的结构和巧妙的合作。如图4i所示，层间间距增大的柔性f-Ti3C2Tx片具有高度可逆的膨胀和收缩，有利于循环稳定性和快速的Na+扩散动力学。
三、全文总结
文章报道了一种通过柱撑工艺结合静电吸附和退火，将部分活性Sb插层在层间，超细Sb纳米颗粒紧密固定在f-Ti3C2Tx上的层状Sb/p-Ti3C2Tx复合材料。通过改性溶液相絮凝方法制备的柔性f-Ti3C2Tx基质通过构建高效导电网络和产生强界面相互作用，成为Sb纳米颗粒的理想载体，在不断插入/提取Na+的过程中，可防止颗粒粉碎和聚集，从而提高导电性和结构稳定性。此外，Sb纳米颗粒均匀地分布在Ti3C2Tx的表面和界面上，作为空间围栏抑制Ti3C2Tx纳米片的团聚和崩塌。Ti3C2Tx基体与Sb超细颗粒之间的协同效应是实现具有高保留率和长循环稳定性的优异电化学钠储存性能的原因。Sb/p-Ti3C2Tx复合材料显示了f-MXenes作为钠离子电池阳极基体的优越性，其体积波动剧烈，导电性不足。这项工作进一步拓宽了f-MXenes的应用范围，并为SIB设计高性能柱撑MXene基复合材料提供了可行的策略，扩展了柱撑MXene基复合材料的制备和应用。监视和安全防护方面具有很大的应用前景。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.1c01863.
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