“柱撑结构”MXene材料在高性能锂离子电容器中的应用

二维MXene是一类二维过渡金属碳/氮化物晶体材料。作为新型二维材料，现已经广泛应用于超级电容器、锂离子电池、储氢、污水净化、光催化等领域。虽然MXene材料在电化学储能领域具有良好性能，但是其层间储能空间尚未完全开发利用。那么，有没有可能使用一些新方法，使MXene的层间域进一步增大，且达到可控，从而进一步有效利用其储能空间？近日，浙江工业大学陶新永教授（点击查看介绍）团队利用阳离子表面活性剂、金属锡离子等对MXene进行预柱撑和柱撑处理，制备了一种新型高性能的“柱撑结构”MXene材料，并成功用于锂离子电容器。

锂离子电容器是介于锂离子电池与超级电容器之间的一种电化学储能器件，同时兼具超级电容器的高功率密度以及锂离子电池高能量密度等特点。目前锂离子电容器负极材料主要是一些嵌入型材料（如TiO₂-B、Li₄TiO₁₂等）。然而，嵌入型负极材料因其较低的容量以及较差的倍率性能已不能满足高能量密度、高功率密度锂离子电容器的需求。二维MXene材料因其高电导率、低锂离子扩散能垒等优点，在锂离子电容器中展现出良好的应用前景，但受制于层间域有限，其储锂容量尚需改善。

CTAB-Sn(IV)@Ti₃C₂纳米复合材料的制备流程图

受黏土材料独特的“柱撑结构”启发，浙江工业大学团队基于静电吸附原理，利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）等阳离子表面活性剂对Ti₃C₂•MXene进行预柱撑处理；而后利用离子交换原理，将Sn⁴⁺填充到Ti₃C₂•MXene层间，制备出具有超大层间距的“柱撑结构”CTAB-Sn(IV)@Ti₃C₂纳米复合材料。研究发现，通过利用不用尺寸的阳离子表面活性剂（CTAB、STAB等）在不同温度对MXene预柱撑处理，可精确控制MXene材料的层间距大小（1-2.708 nm）。将此类材料与活性炭正极匹配，组装成锂离子电容器（CTAB-Sn(IV)@Ti₃C₂//AC），展现出优异的电化学性能：当电流密度为0.2、0.5、1、2、5 A/g，比电容分别为51、42、34、33、25 F/g（基于CTAB−Sn(IV)@Ti₃C₂和AC的重量）和268、220、181、173、132 F/g（基于CTAB−Sn(IV)@Ti₃C₂的重量）。在电流密度2 A/g下，循环4000次，容量保持率为71.1%，库伦效率接近100%。该材料应用于锂离子电容器中，其优异的电化学性能源自独特的“柱撑效应”： 由于层间的限域作用，MXene层间填充活性物质锡材料难以粉化，锡除了自身提供容量之外，其放电产物锡锂合金会产生体积膨胀，能够进一步撑大MXene的层间域，使更多的Li⁺嵌入MXene层间，赋予MXene更高容量。此论文也是该研究团队前期报道的研究，利用碱金属离子和锡离子对MXene进行柱撑获得超高体积比容量的锂离子电池负极材料的后续研究工作。

锂离子电容器工作原理图及相关性能图

这种利用阳离子表面活性剂预柱撑、金属离子柱撑制备具有“柱撑结构”的MXene复合材料的方法，将有助于其他具有独特功能的“柱撑结构”MXene材料的发展，拓展MXene材料的应用范围。这一成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是浙江工业大学博士研究生罗剑敏。

该论文作者为：Jianmin Luo, Wenkui Zhang, Huadong Yuan, Chengbin Jin, Liyuan Zhang, Hui Huang, Chu Liang, Yang Xia, Jun Zhang, Yongping Gan, and Xinyong Tao

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Pillared Structure Design of MXene with Ultralarge Interlayer Spacing for High Performance Lithium-Ion Capacitors

ACS Nano, 2017, 11, 2459-2469, DOI: 10.1021/acsnano.6b07668

陶新永教授简介

陶新永，浙江工业大学教授，材料学院副院长。2007年于浙江大学取得博士学位，2007年-2008年在美国南卡罗来纳大学机械系从事博士后研究，2008年10月起就职于浙江工业大学。2014年-2015年，美国斯坦福大学材料系访问学者。研究领域是碳基储能材料。在相关领域发表论文100余篇，其中在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Energy Mater. 等IF>10的期刊上以第一或通讯作者发表12篇，论文被引用近3500次，6篇入选ESI高被引论文，H因子为35。曾获得教育部“新世纪优秀人才”、浙江省“钱江学者”特聘教授、浙江省新世纪“151人才工程”第一层次等人才计划。

http://www.x-mol.com/university/faculty/18741

近期论文：

1. Tao, Xinyong, Wang, Jiangu, Liu, Chong, Wang, Haotian, Yao, Hongbin, Zheng, Guangyuan, Seh, Zhiwei, Cai, Qiuxia, Li, Weiyang, Zhou, Guangmin, Zu, Chenxi, Cui, Yi*, Balancing Surface Adsorption and Diffusion of Lithium-Polysulfides on Nonconductive Oxides for Lithium-Sulfur Battery Design, Nature Communications (ESI高被引论文), 2016, 7: 11203

2. Tao, Xinyong, Wang, Jianguo, Ying, Zhuogao, Cai, Qiuxia, Zheng, Guangyuan, Gan, Yongping, Huang, Hui, Xia, Yang, Liang, Chu, Zhang, Wenkui*, Cui, Yi*, Strong Sulfur Binding with Conducting Magneli-Phase Ti_nO_2n-1 Nanomaterials for Improving Lithium-Sulfur Batteries, Nano Letters (ESI高被引论文), 2014, 14(9): 5288-5294

3. Luo, Jianmin, Zhang, Wenkui, Yuan, Huadong, Jin, Chengbin, Zhang, Liyuan, Huang, Hui, Liang, Chu, Xia, Yang, Zhang, Jun, Gan, Yongping, Tao, Xinyong*, Pillared Structure Design of MXene with Ultra-Large Interlayer Spacing for High Performance Lithium-Ion Capacitors, ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b07668

4. Luo, Jianmin, Tao, Xinyong*, Zhang, Jun, Xia, Yang, Huang, Hui, Zhang, Liyuan, Gan, Yongping, Liang, Chu, Zhang, Wenkui*, Sn⁴⁺ Ions Decorated Highly Conductive Ti₃C₂ MXene: Promising Lithium-Ion Anodes with Enhanced Volumetric Capacity and Cyclic Performance, ACS Nano (ESI高被引论文), 2016, 10(2): 2491-2499

5. Tao, Xinyong, Fan, Zheng, Dong, Lixin*, Nelson, Bradley J., Dharuman, Gautham, Zhang, Wenkui, Li, Xiaodong*, Internal Electron Tunneling Enabled Ultrasensitive Position/Force Peapod Sensors, Nano Letters, 2015, 15(11): 7281-7287

6. Xia, Yang, Xiao, Zhen, Dou, Xiao, Huang, Hui, Lu, Xianghong, Yan, Rongjun, Gan, Yongping, Zhu, Wenjun, Tu, Jiangping, Zhang, Wenkui*, Tao, Xinyong*, Green and Facile Fabrication of Hollow Porous MnO/C Microspheres from Microalgaes for Lithium-Ion Batteries, ACS Nano (ESI高被引论文), 2013, 7(8): 7083-7092

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