《Chemical Engineering Journal》：光子燒結處理將致密MXene薄膜瞬時結構化為用于鋰離子電池陽極的多孔MXene/TiO2納米復合材料（IF=15.17）

背景：

MXenes，二維金屬碳化物和氮化物，因其在各種儲能系統(tǒng)中的顯著性能而被認為是一類新型電極材料。此外，獨特的性質和形貌使得MXenes可以組裝成獨立的薄膜，可應用于輕質、高能量密度的儲能器件。然而，它們的重新堆疊和聚集傾向仍然是增強MXene電化學性能的挑戰(zhàn)。在這項研究中，我們提出了一種借助光子燒結制造多孔MXene-TiO2獨立式陽極的簡便方法。只需用光子燒結在幾毫秒內加熱MXene薄膜即可增加MXene的層間距，同時在MXene表面形成TiO2。隨著中間層的加寬和TiO2的形成，潤濕性得到改善，電解質易于滲透，電極電阻降低。因此，這種獨立式陽極在0.05A/g電流下的Li+存儲容量(148 mAh/g)比原始MXene薄膜(3mAh/g)高出近50倍，并且具有高達1500次循環(huán)的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性而不會降解。

文獻介紹：

鋰離子電池（LIB）的發(fā)明對儲能行業(yè)產(chǎn)生了令人難以置信的影響。這些電池廣泛用于多種應用，包括便攜式電子產(chǎn)品例如智能手機和筆記本電腦、手持設備、電動汽車以及更廣泛的能源存儲系統(tǒng)。然而，盡管它們用途廣泛，但在能量密度、安全性和充電速度方面仍有巨大的改進潛力。此外，隨著能量存儲設備的使用多樣化，涵蓋可穿戴醫(yī)療設備、智能服裝和可彎曲顯示器等應用，開發(fā)不僅靈活、重量輕，而且能保持高電化學性能的系統(tǒng)變得令人期望。

在這方面，MXenes、二維(2D)過渡金屬碳化物和氮化物已成為新型電極材料的重要候選者。MXenes主要通過選擇性刻蝕MAX相中的A層（多為Al、Si、Zn、Ga等）的方法制造，其中M代表過渡金屬（Ti、V、Mo、Nb等），X是碳和/或氮。合成的MXenes的化學式為Mn+1XnTx（n = 1、2或3），Tx表示表面末端（–OH、-O、-F等）。由于其結構和表面功能端接，它們表現(xiàn)出獨特的性能組合，包括高電導率、熱穩(wěn)定性、卓越的機械性能和高比表面積。特別是，MXene基材料的獨特性能使其成為潛在的下一代電極材料；(1)MXene可以通過層間空間內的快速鋰化/脫鋰過程來存儲離子。此外，源自過渡金屬的MXene的高電導率有助于實現(xiàn)高倍率性能，顯示出作為電極材料的廣闊潛力。因此，MXene有望通過增強電導率、減少極化和增強電池的整體循環(huán)穩(wěn)定性來提高電池的整體性能。事實上，MXene被用作各種儲能系統(tǒng)的電極，例如鋰離子電池、鈉離子電池和超級電容器。(2)連續(xù)蝕刻的MXenes膠體溶液含有分散的MXene薄片，可以很容易地組裝成獨立的薄膜。因此，借助MXenes，通過真空過濾、涂層和印刷等方法可以方便地制造獨立式電極。這些MXene薄膜具有高導電性和機械強度，非常適合用于輕型儲能設備，并且可以用作陽極，無需金屬集流體或粘合劑。

到目前為止，人們已經(jīng)嘗試了各種方法在電極中使用MXene，并通過結構控制、表面/界面改性和創(chuàng)建MXene基復合材料進行了進一步的修飾以增強MXene的電化學性能。然而，MXene在實際應用中廣泛采用之前，必須克服一些挑戰(zhàn)。

與MXene相關的主要問題之一是它們傾向于重新堆疊和聚合。在這種情況下，堆疊的MXene嚴重阻礙電解質的滲透并阻礙離子擴散，導致離子存儲能力受到限制。避免這些問題的大部分努力涉及通過模板輔助方法、組裝方法和冷凍干燥方法等方法合成多孔3D結構。Liu等人以硫為模板合成了3D多孔MXenes，隨后在氬氣氣氛下通過300℃熱處理將其去除。受益于其結構，保證了離子傳輸?shù)碾娊赓|通道和更多的活性位點。Ma等人合成了MXene rGO雜化薄膜，通過將氧化石墨烯與MXene組裝來實現(xiàn)3D微孔結構。Liu等人還利用Fe(OH)3納米粒子作為模板制備了納米多孔MXene薄膜。然而，這些方法通常被證明既耗時又復雜，并且可能需要額外的材料。 

本研究提出了一種簡便的制備多孔MXene-TiO2薄膜的方法，克服了先前研究的復雜性和耗時的過程，同時提高了電化學性能。我們的方法采用強脈沖光(IPL)過程，也稱為光子燒結過程，它利用來自氙燈的短脈沖白光，覆蓋整個可見光范圍，僅包含少量紫外線和近紅外光。傳統(tǒng)上，光子燒結工藝快速加熱目標材料，同時最大限度地減少對基材的損壞，使其成為依賴熔爐的傳統(tǒng)燒結技術的理想替代方案。該過程可以在室溫和環(huán)境條件下在幾毫秒內燒結金屬納米粒子。 因此，該技術具有雙重優(yōu)勢；它促進了MXene薄膜中多孔結構的形成，同時通過在空氣環(huán)境中調節(jié)光子燒結功率，可以在其表面上控制TiO2的形成。 

使用經(jīng)過光子燒結處理的獨立式MXene-TiO2薄膜作為陽極具有多種優(yōu)勢。首先，在瞬間，當MXene表面的一部分發(fā)生氧化并轉變?yōu)榛钚圆牧蠒r，它允許TiO2大量分散，并使MXene-TiO2界面面積最大化?，F(xiàn)有通過混合MXene和鈦前驅體形成MXene-TiO2的方法工藝復雜，且通過熱處理的氧化方法難以控制氧化程度。然而，這種方法可以通過簡單的過程輕松地將部分MXene氧化為納米級的TiO2。同時，形成多孔結構提高了電子轉移效率，增強了離子擴散，并表現(xiàn)出高容量。此外，它是一種通用方法，也可以應用于其他基于過渡金屬的MXene。通過首次使用MXene實現(xiàn)光子燒結工藝，我們的方法為復雜且耗時的技術提供了一種有前途的替代方案。它為制造用作LIB陽極的高性能多孔MXene-TiO2薄膜提供了一種簡單而有效的解決方案。結果，優(yōu)化后的光子燒結MXene薄膜的比容量比原始MXene薄膜高50倍，并且穩(wěn)定運行1500次循環(huán)而沒有容量下降。

引用：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724010830

本網(wǎng)站所發(fā)表內容轉載時會注明來源，版權歸原出處所有（無法查證版權的或未注明出處的均來源于網(wǎng)絡搜集）。轉載內容（視頻、文章、廣告等）只以信息傳播為目的，僅供參考，不代表本網(wǎng)站認同其觀點和立場。內容的真實性、準確性和合法性由原作者負責。如涉及侵權，請聯(lián)系刪除，此轉載不作為商業(yè)用途