咨詢熱線18043212860微信
網站首頁 關于我們 產品介紹 學術文章 行業動態 公司環境 業務范圍 資質榮譽 資料下載 聯系"11" 留言/預約

行業動態

當前位置:首頁-行業動態

【MXene專題】Ti3C2 MXene雙轉化合成高性能鈦酸鈉/鈦酸鉀

發布時間:2018/09/04

                                                                       

引      言

鋰離子電池(LIBs)被廣泛應用于便攜式電子設備和大型電網存儲中,但是由于鋰資源有限、成本上升以及安全性問題,可能會阻礙其在未來能源領域的發展。相對而言,鈉離子電池和鉀離子電池由于原材料儲量豐富、高容量、成本較低以及與LIBs相似的氧化還原電位,可謂是LIB最為理想的替代品。

然而,在實際應用中仍面臨著巨大挑戰。Na或K會誘導大多數電極(如金屬氧化物,多孔碳)材料發生體積膨脹和動力學遲滯,由此導致低容量和快速的容量衰退。

成果簡介

【MXene專題】Ti3C2 MXene雙轉化合成高性能鈦酸鈉/鈦酸鉀


                           圖1. Ti3C2 MXene的(a,  b)TEM和(c)HRTEM圖像,M-NTO的(d,  e)TEM和(f)HRTEM圖像,M-KTO的(g, h)TEM和(i)HRTEM圖像,在(c, f, i)的插圖是SAEM圖譜

先前的研究表明,通過MXene(Ti3C2Tx)的一步氧化轉化法,可以合成出增強鋰儲存性能的層狀TiO2@Ti3C2Tx異質結構。鑒于此,中國科學院大連化學物理研究所包信和院士課題組等人通過Ti3CMXene 的同時氧化和堿化過程,成功地合成出了具有高儲鈉/儲鉀性能的的鈦酸鈉(M-NTO, NaTi1.5O8.3)和鈦酸鉀(M-KTO, K2Ti4O9)超薄納米帶材料。

【MXene專題】Ti3C2 MXene雙轉化合成高性能鈦酸鈉/鈦酸鉀
圖2. 在SIBs中含有1 M NaCF3SO3電解質下M-NTO的電化學表征.(a)在0.1mV/s下測得M-NTO的循環福安, (b)M-NTO, Ti3C2 MXene以及市售的TiC在200mA/g下的循環穩定性和庫倫效率,(c)M-NTO在電流密度從50-2000mA/g下的恒電流充放電曲線, (d)M-NTO在不同電流密度下的倍率性能, (e)M-NTO用于SIBs在200mA/g下的循環性能和庫倫效率。


電化學測試表明:將M-NTO應用于SIB中,在200mAh/g下可逆容量增加到191mAh/g,高于原始Ti3C2(178mAh/g)和商業化TiC衍生物(86mAh/g);對于M-KTO而言,在50mAh/g下可輸出151mAh/g的容量,在300mA/g下輸出的容量依然高達88mAh/g,同時循環壽命超過900次,這也是迄今為止所報道的性能最好的此類材料。

機制分析

Ti3C2 MXene 納米片到M-NTO和M-KTO納米帶轉化過程中,材料結構表現出層間距(M-NTO為0.90nm,M-KTO為0.93nm)和厚度(<11nm)縮減并且呈現出交織的網狀結構,對于M-NTO進一步組裝成類海膽的球形結構,而M-KTO則轉化為相互糾纏的納米帶。與此同時,兩種材料都出現開放的大孔結構。由此可見,合適的層間距,超薄的厚度和較窄寬度的納米結構,對于提高活性物質利用率,改善離子遷移動力學以及結構穩定性增強極為關鍵。

材料制備

Ti3C2 MXene的合成:將1g Ti3AlC2粉末緩慢加入到120ml 40wt%的氫氟酸溶液中。將反應混合物在25℃下以300rpm攪拌72小時。之后將混合溶液以6000rpm離心5分鐘,棄去上清液后收集粉末。然后,將所得粉末用蒸餾水反復洗滌4次。最后,使用聚四氟乙烯膜(0.22mm孔徑)過濾溶液收集Ti3C2,并在60℃真空烘箱中干燥12小時。

M-NTO和M-KTO納米帶的合成:將100mg Ti3C2MXene加入到含有30ml 1M的NaOH和0.68mL 30%H2O2的混合溶液中。然后,將混合溶液轉移到50ml特氟隆襯里的不銹鋼高壓釜中,在140℃水熱處理12小時。自然冷卻至室溫后,通過真空過濾收集上部白色懸浮液,用蒸餾水洗滌三次得到的M-NTO樣品,在60℃下干燥12小時。除了使用KOH代替NaOH之外,采用與M-NTO相同的程序合成M-KTO。為了進行比較,還將商品化的TiC顆粒與M-NTO使用相同的程序進行水熱處理,最后的產物表示為市售的TiC衍生物。

參考文獻  

Yanfeng Dong, Zhong-Shuai Wu, Shuanghao Zheng, Xiaohui Wang, Jieqiong Qin, Sen Wang, Xiaoyu Shi, and Xinhe Bao, Ti3C2 MXene-Derived Sodium/Potassium Titanate Nanoribbons for High-Performance Sodium/Potassium Ion Batteries with Enhanced Capacities, ACS Nano(2017), DOI: 10.1021/acsnano.7b01165 

本文由能源學人編輯Lyncccom發布整理,非特別說明為獨家版權,轉請注明出處:https://nyxr-home.com/10537.html

。原文鏈接:ACS Nano