MXene量子点加固Ni-Co LDH表面结构，以实现高储能活性和持久稳定性
层状双金属氢氧化物（LDH）作为一种具有二维特殊结构的材料，已经被广泛应用于电化学存储和转换领域。LDH具有易合成、环境友好和高的理论比容量等优势。然而，在碱性电解质中，LDH基电极材料的表面坍塌和结构变形会导致较差的倍率和使用寿命。表面修饰的策略可以优化材料表面结构和表面组分，从而实现高电化学活性和持久稳定性。除此之外，通过研究相关的界面作用，合理设计材料的表面结构和组分，对于后续设计和制备高性能储能材料也至关重要。
图1 MQDs铆钉加固LDH表面结构及作用机制的示意图
利用表面修饰策略，以高活性和高导电性的MXene量子点 (MQDs) 作为铆钉，加固Ni-Co LDH表面结构以实现其高活性和持久稳定性 (图1)。相较于传统的电极制备思路，该工作采用了理论设计→实验制备的研究策略。通过理论计算基于密度泛函理论（Density functional theory, DFT），探索了界面耦合作用对其稳定性的影响，研究了复合材料的导电性以及OH-吸附性能。预测了LDH@MQDs的构效关系，为开展材料制备明确看方向。在电极制备流程中，该工作简化了其合成工艺，减少了粘合剂对于电极性能的副作用。MQDs通过耦合作用加固LDH的表面，增强了LDH材料的使用寿命（5000圈循环后增强了23.5%）。此外，基于LDH@MQDs电极组装的超级电容器具有优异的比容量（87 mA h g-1 at 1 A g-1）和持久的使用寿命（10000圈容量保持率为98.6%）。
要点一：理论设计方面
通过DFT计算利用电子局域函数 (ELF) 图以及原子净电荷分布，研究了MQDs和LDH之间的界面耦合，以及其耦合作用对于材料OH-吸附能力和导电性的影响。发现MQDs自身不仅能作为有效的活性吸附位点，而且能够激活LDH表面吸附能力。MQDs的引入也极大的增强了材料的导电性，这将有利于电子的快速转移，从而实现了电极材料的高倍率性能。MQDs和LDH之间的强耦合作用有效地加固了其表面结构稳定性从而提升了循环使用寿命。
要点二：实验创新方面
采用水热法直接在泡沫镍基底上，制备了LDH@MQDs电极材料。避免了粘合剂对电极的影响。纳米片状的形貌不仅有利于其表面电子的转移，而且为电解液的反应提供反应场所。更重要的是在引入MQDs铆钉之后有效地增强了LDH的储能能力及其循环稳定性。所组装的LDH@MQDs//AC超级电容器表现出优异的比能量密度（60.7 W h kg-1）和比功率密度（698 W kg-1）。在6 A g-1的电流密度下，循环10000圈，仍然保留98.6%的初始容量。
要点三：界面构筑增强储能机理研究
本工作将DFT计算、表征分析手段以及电化学技术巧妙地结合起来，共同地对界面构筑前后LDH表面结构的演变过程进行了深入的研究。量子点MQDs上的官能团与LDH表面形成电荷转移，促进界面耦合作用和加固LDH的表面结构，从而增强其表面结构稳定性。这主要可以归因于该组之前工作中提出的表面限域效应（ACS Appl. Energy Mater., 2021, 4, 4654–4661）。这被该组之前工作中提出的表面限域效应所印证（ACS Appl. Energy Mater., 2021, 4, 4654–4661）。且LDH表面与MQDs之间的电荷转移将激活LDH的表面活性，增强其OH-储存能力。此外，由于尺寸效应，量子级别的MQDs由于顶部的未成对电子成为新的活性吸附位。从根本上增强LDH@MQDs的电化学活性和稳定性。
全文小结
本文通过理论预测为制备特定结构材料指明方向。首先，采用DFT计算方法准确地评估了界面耦合作用的强弱对于复合结构稳定性的影响。其次，通过表面相互作用关系巧妙地将MQDs牢固的铆钉在LDH表面，并同时提升了表面导电能力和结构稳定性。最后，通过组装LDH@MQDs//AC非对称型超级电容器验证了材料设计与性能之间的构效关系，同时也更进一步地阐明了电极表面电化学过程的微观机理。
原文链接：
Lili Song, Shifan Zhu, Le Tong, Wandi Wang, Chun Ouyang, Feng Xu, Yuqiao Wang
Mater. Adv., 2021, DOI: 10.1039/D1MA00474C