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构建高性能钙钛矿电池：MXene边缘生长多维TiO2/SnO2异质结网络
nanomicrolett 2020-10-27 17:12
Low‑Temperature Growing Anatase TiO 2 /SnO 2 Multi‑dimensional Heterojunctions at MXene Conductive Network for High‑Efficient Perovskite Solar Cells Linsheng Huang, Xiaowen Zhou, Rui Xue, Pengfei Xu, Siliang Wang, ChaoXu, Wei Zeng*, Yi Xiong*, Hongqian Sang, Dong Liang Nano‑Micro Lett.(2020)12:44 https://doi.org/10.1007/s40820-020-00379-5 本文亮点 1 . 基于二维MXene 边缘构建 纳米尺度多维异质结网络； 2. 采用 低温可控退火法 制备锐钛矿型TiO 2 /SnO 2 异质结； 3. 构建的钙钛矿太阳能电池具有 高能量转化效率 及 高抗湿稳定性 。 内容简介 基于高导电，亲水性和赝电容特性，二维Ti 3 C 2 T X MXene纳米片在太阳能电池、锌离子电容器、传感器等领域得到了广泛研究。SnO 2 是一种常见的宽禁带半导体，由于其可低温制备的特性，有潜力应用于未来的柔性器件，然而，还需优化材料与改进结构，以发挥最优光电性能。尽管TiO 2 被报道能与SnO 2 形成异质结，然而，制备锐钛矿型TiO 2 一般需较高温度或复杂工艺，这反而制约了SnO 2 的应用。现阶段，通过水热反应或高温作用在MXene上可生成锐钛矿型TiO 2 ，为进一步与SnO 2 有效结合，仍需探索低温制备工艺，有效复合MXene、TiO 2 和SnO 2 ，以利于发挥整体的更优性能。安徽大学曾玮课题组与武汉纺织大学熊祎课题组合作，在这篇文章中报道了一种低温退火工艺及生成的多维异质结导电网络在钙钛矿太阳能电池中的应用。通过在空气和氮气中可控低温退火的方法，基于氧空位争夺效应，在二维Ti 3 C 2 T X MXene片边缘原位生长零维TiO 2 量子点，且零维量子点和三维SnO 2 颗粒牢固结合，形成一种独特的多维异质结导电网络。当应用于钙钛矿电池电子传输层时，这种多维异质结的引入不仅有效提升了电子传输层的光学特性，而且改善了上层钙钛矿的结晶度及内部界面，为内部载流子的大规模传输提供了有效的纳米传输网络。这使得钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从16.83％上升到19.14％，且能够在30％-40％湿度的空气中，仍保持性能的85％超过45天，且具有可忽略的迟滞特性，从而为异质结的可控构建及光电器件改进提供思路。 图文导读 I 多维异质结薄膜的制备 通过旋涂法和可控退火工艺，在FTO基底上生长多维异质结薄膜。先将FTO基底进行臭氧清洗，然后旋涂SnO 2 -MXene的混合前体溶液，接着在热台上进行退火处理。退火时，先在空气中退火5分钟，然后在氮气中退火25分钟，从而形成MXene、TiO 2 和SnO 2 有效复合的多维异质结薄膜。 图1.多维异质结薄膜及钙钛矿层的制备工艺流程。 II 多维异质结薄膜的表征与分析 通过扫描电子显微镜(SEM)对多维异质结薄膜进行分析时，发现MXene稀疏地附着在SnO 2 表面，呈现典型的片状形貌，通过X射线能谱分析(EDS)，发现薄膜主要由Sn，O，C和Ti所构成，且元素均匀分布。 图2.(a)多维异质结薄膜的SEM俯视图，插图为虚线框区域的放大图；(b-g)多维异质结薄膜的EDS图，(b)分析位置的SEM图像，(c)元素分层图像，(d-g)分别为Sn，O，C和Ti元素的映射图像。 对多维异质结薄膜进行X射线衍射分析发现锐钛矿相TiO 2 ，进一步通过X射线光电子能谱分析(XPS)对比分析，发现在多维异质结薄膜中，存在少量Ti元素，且Ti 4+ 的化学键含量明显多于纯MXene中含量，这表明可控退火工艺将MXene中的其他Ti键成功转化为Ti 4+ 键，此外，还发现部分Ti-O键，这说明在多维异质结薄膜中，锡基氧化物与少量钛基氧化物互相化合，导致了多维异质结网络的有效形成。 图3.SnO 2 和多维异质结薄膜的XPS测量光谱。(a)整体光谱；(b)多维异质结薄膜的Ti 2p 光谱，(c)SnO 2 和多维异质结薄膜的Sn 3d 和(d)O 1s 的高精度对比光谱。 对多维异质结样品进行透射电镜(TEM)及高分辨透射电镜(HRTEM)分析时，发现其呈现三维堆叠结构，晶格分析表明其含有金红石相SnO 2 和尺寸约5nm的零维锐钛矿相TiO 2 量子点，这些零维TiO 2 和三维SnO 2 颗粒之间相互缠绕，从而形成了TiO 2 /SnO 2 异质结。 图4. (a)多维异质结样品的TEM图像，(b-c)分别为(a)中虚线框区域的HRTEM放大图，(d)为(c)中虚线框区域的HRTEM放大图。 III 多维异质结导电网络的生长机理 作者采用原子模型分析了多维异质结导电网络的生长机理，在空气及氮气中可控退火时，MXene的边缘会发生氧化，产生锐钛矿TiO 2 晶体，且与周围的SnO 2 发生键合，从而共同生长。氧空位的争夺效应发挥了关键作用，其导致二维MXene纳米片作为导电桥梁，连通了其边缘的TiO 2 /SnO 2 异质结，从而构成了有效的多维异质结导电网络。 图5. (a-d)多维异质结导电网络的形成机理。 IV 钙钛矿太阳能电池性能分析 以多维异质结导电网络为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，采用了正置器件结构。通过对电子传输层上层的钙钛矿层进行SEM形貌分析，发现，相比于电子传输层未采用可控退火工艺的样品，基于可控退火的样品，其钙钛矿晶体的尺寸明显增大，这有利于钙钛矿层的光电转换及载流子分离。 图6. 使用多维异质结导电网络作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图(a)及截面SEM图像(b)；钙钛矿层的SEM形貌，其下层的电子传输层制备时仅在空气中退火(c)，采用可控退火(d)和仅在氮气中退火(e); 钙钛矿层的晶粒尺寸统计分布，其下层的电子传输层制备时仅在空气中退火(f)，采用可控退火(g)和仅在氮气中退火(h)。 为研究多维异质结薄膜的载流子传输效果，作者对基于多维异质结薄膜与纯SnO 2 薄膜的样品，进行了一系列光电表征与分析。透射光谱、吸收光谱、稳态及瞬态光致发光光谱(PL, TRPL)、瞬态光电压及光电流(TPV，TPC)、空间电荷限制电流分析表明，基于多维异质结薄膜的样品，具有更高的透光性，更强的电子猝灭及传输能力，更快的电子传输能力，及更弱的载流子复合能力，同时也证明了其钙钛矿层具有更优的结晶及更少的界面缺陷。 作者还对多维异质结薄膜的能级特性进行了分析，紫外光电子能谱(UPS)分析表明，基于多维异质结的薄膜，其导带底与价带顶位置均下降了0.21 eV。相比于纯SnO 2 为电子传输层的钙钛矿太阳能电池，以多维异质结薄膜为电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有更强的空穴阻挡及电子获取能力，从而为电池的高光电转化效率、抗湿稳定性及且可忽略的迟滞特性提供了有力支撑。 图7.基于多维异质结薄膜与纯SnO 2 薄膜样品的光电表征。(a)PL光谱；(b)TRPL光谱；(c)TPV曲线；(d)TPC曲线；(e)UPS光谱；(f)钙钛矿太阳能电池的能带结构图。 作者简介 曾玮 本文通讯作者 安徽大学 副教授，硕士生导师 ▍ 主要研究领域 光电及储能器件(钙钛矿太阳能电池、超级电容器)及传感器(压力、电磁场传感器)。 ▍ 主要研究成果 近年来，以第一作者或通讯作者身份在ACS Applied Materials Interfaces、Journal of Power Sources、Advanced Electronic Materials等知名国际学术期刊上发表SCI论文20余篇。主持或参与国家自然科学基金、安徽省自然科学基金等项目。 ▍ Email: youfmail@163.com zengwei@ahu.edu.cn 熊祎 本文通讯作者 武汉大学凝聚态物理学博士后 武汉纺织大学 电子显微镜实验室主管 ▍ 主要研究领域 先进功能材料的透射电子显微学研究(钙钛矿太阳能电池、光催化材料、压电电子学器件等)。 ▍ 主要研究成果 近年来，以第一作者或通讯作者身份在Materials Design、Journal of Applied Crystallography、New Journal of Chemistry等知名国际学术期刊上发表SCI论文8篇。主持或参与国家自然科学基金、湖北省自然科学基金等项目。 ▍ Email: xiong@wtu.edu.cn xiongyi@whu.edu.cn 撰稿：原文作者 编辑：《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子：12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore：12.9，材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区：材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820)，欢迎关注和投稿。 E-mail： editor@nmletters.org Tel： 021-34207624
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3D打印NiCoP/MXene复合电极材料：构建高面积/体积能量密度储能器件
nanomicrolett 2020-10-10 16:50
3D Printing of NiCoP/Ti 3 C 2 MXene Architectures for Energy Storage Devices with High Areal and Volumetric Energy Density Lianghao Yu, Weiping Li, Chaohui Wei, Qifeng Yang, Yuanlong Shao, Jingyu Sun* Nano‑Micro Lett.(2020)12:143 https://doi.org/10.1007/s40820-020-00483-5 本文亮点 1 . 利用 3D打印 构造厚度和负载量可调可控的电极结构。 2. 全打印的NiCoP/MXene//AC非对称超级电容器 全电池最终得到面积和体积能量密度分别为0.89 mWh cm −2 和2.2 mWh cm −3 。 内容简介 3D打印在电化学储能领域已经得到广泛的应用。一般情况下，具有优异导电性的轻质碳材料成为研究的热点。然而由于碳基器件相对较低的面积和体积能量密度，极大地限制了其在实际中的应用范围。对称型超级电容器具有高的功率密度和安全稳定性，但是它的工作电压较低阻碍了其能量密度的发挥。苏州大学能源学院、苏州大学——北京石墨烯研究院协同创新中心的孙靖宇教授课题组，采用湿法化学及热磷化步骤，结合3D打印构筑非对称超级电容器，这为制备高面积/体积能量密度器件提供新的方法。 该工作可控合成了NiCoP/MXene (NCPM)复合材料，通过3D打印构筑厚度及负载可调的电极，设计制备了NCPM-CNT//AC-CNT的非对称超级电容器，评估了其面积及体积能量密度，得出如下结论：(1)复合材料相比于单独MXene和NCP具有更好的电化学性能；(2)CNT作为墨水的调粘材料，不仅可以维持电极结构的骨架，还可以提供良好的导电网络；(3)3D打印的非对称超级电容器结构最终可实现高的面积和体积能量密度。 图文导读 I NCPM复合电极的制备及打印器件的制备 NCPM的设计是通过湿法化学和原位磷化步骤得到，如图1a所示，磷化步骤以及与MXene的结合可以有效解决双金属氢氧化物导电性差的问题，促进电化学反应的动力学过程。进一步对墨水的微观形貌进行分析，可以发现活性材料与CNT能够较好地交织在一起，进而有效构筑导电网络(如图1b，c所示)。3D打印可以通过控制打印电极的层数，进而制备不同厚度的电极(图1d)。 图1.(a) NCPM材料的合成及3D打印示意图。(b, c) NCPM/CNT墨水的微观形貌。(d) 3D打印设计厚度可调的样品。其中图d中的比例尺分别为8 mm。 II 复合材料的形貌表征 图2考察了NCPM的形貌及结构特征。从高分辨TEM可以发现(图2d)，同一区域存在NCP和MXene两种的晶格条纹，表明NCPM复合材料的成功制备。为了进一步表征合成的NCPM的晶体结构和化学成分，进行了XRD和XPS分析，如图2g-i所示。XRD的数据表明复合材料主要存在NCP的信号；XPS的数据主要表明NCP和Ti 3 C 2 之间存在相互作用。 图2.(a-c)NCPM的SEM及TEM图。(d) NCPM的HRTEM图。(e, f) NCPM的STEM和对应区域的元素Mapping。(g) NC, NCM和NCPM三种材料对应的XRD图谱。(h, i) NCPM的Ni 2p和Co 2p分别对应的XPS谱图。 III 3D打印墨水的流变特性分析 在进行3D打印前，我们需要分析和表征墨水的流变特性，判断其是否满足打印的要求。如图3d-f所示，浓缩后的CNT与CNT/NCPM墨水两者在整个剪切压力范围内都具有剪切变稀的非牛顿流体特性。通过调整打印的速度，可以获得不同宽度的电极、可调负载量的器件，如图3c所示。进一步对冷冻干燥后的电极断面和表面结构进行观察，发现打印后的电极具有丰富的孔道结构，这有利于电解液的渗透和离子的传输(图3g-i)。 图3.(a, b) 3D打印设备和打印电极的实物图。(c) 不同打印速度对应电极宽度分布统计图。(d) 制备的NCPM/CNT和CNT两种墨水的表观粘度与剪切速率的关系。(e, f) 储存模量和损失模量分别与剪切压力和频率之间的关系。(g, h) 打印电极的表面及截面SEM。(i) NCPM/CNT电极在冷冻干燥后的微观形貌图。 IV 打印电极的三电极电化学性能 在扫描速率为10 mV/s的情况下，通过三电极装置分别测试NC、NCP和NCPM三者的循环伏安曲线(CV)，其中较大的曲线面积表明较高的容量存储，从图4b中可以看出NCPM的容量最高。NCPM相对于NCP和NC在结构上具有一定优势，主要由于MXene的引入为双金属氢氧化物的合成提供了更多的生长位点，结合MXene良好的导电性，可以进一步提升电极材料的反应动力学。通过借助3D逐层打印技术，得到厚度不同、负载量不一的电极。分析可得，随着电极厚度的增加，面积负载量也逐渐增大，因此对应较高的面积电容。然而，相对于薄电极，厚电极的离子和电子传输速度较为缓慢，因此相对厚的电极其体积容量可能会受到一定的影响，如图4e所示。 图4.(a) 3D打印不同厚度的NCPM电极的光学照片。(b) 三电极体系测试NC、NCP、NCPM三种电极材料的CV曲线。(c, d) NCPM/CNT在不同电流密度下的GCD曲线及循环稳定性。(e) 不同打印电极的面积和体积容量。(f) 本工作制备的电极与其它体系的对比。 V 打印非对称超级电容器 我们在打印电极的基础上设计了非对称的超级电容器(ASC)，这可以进一步提高整个器件的能量密度。为了达到ASC的最佳性能，正负极要满足电荷平衡( Q + = Q −)，可确定两者的材料比例；并通过CV曲线来确定两电极之间的电压区间为0−1.4 V，如图5b，c所示。在充放电电流密度为12 mA cm −2 的条件下对电化学储能器件进行循环性能测试，在5000次恒流充放电后，ASC仍然保留初始比电容值的87.5%，显示出较好的循环稳定性，如图5f所示。通过对电极厚度的优化，以及拓宽后的电压窗口，最终可以得到整个器件的面积和体积能量密度分别为0.89 mWh cm −2 和2.2 mWh cm −3 (图5g)。 图5.(a) 3D打印非对称超级电容器正负极电极。(b) 在10 mV/s扫速下打印电极的CV曲线。(c) 不同电压区间内的CV曲线。(d) 不同扫速下的CV曲线。(e) 不同电流密度下的GCD曲线。(f) 两电极对应的长循环稳定性。(g) 打印NCPM与其它体系的面积与体积能量密度对比。 作者简介 孙靖宇 本文通讯作者 苏州大学 教授 ▍ 主要研究领域 主要从事烯碳能源材料的控制制备与器件应用研究。 ▍ 主要研究成果 近年来在Adv. Mater., Nature Commun., Energy Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., ACS Nano等期刊发表学术论文120余篇。发展了低维碳材料可控生长的Direct-CVD技术，探索研发石墨烯玻璃、石墨烯晶圆、烯碳隔膜等新材料，实现了烯碳基墨汁的宏量制备及能源器件的印刷化集成。研究成果被科学网, Nature Mater., Materials Views, Phys.org等亮点报道。主持国家级人才计划项目、国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项子课题、国家自然科学基金委、江苏省科技厅、苏州市科技局等科研项目7项。获北京大学优秀博士后奖、江苏省“六大人才高峰”、苏州大学优秀博士学位论文指导教师(2019)、苏州大学五四青年奖(2020)、牛津大学Varsity Award等奖励。 撰稿：原文作者 编辑：《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子：12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore：12.9，材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区：材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820)，欢迎关注和投稿。 E-mail： editor@nmletters.org Tel： 021-34207624
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蹇锡高院士：N掺杂新策略提高MXene的储钠性能
nanomicrolett 2020-9-20 23:26
A Novel Strategy of In Situ Trimerization of Cyano Groups Between the Ti 3 C 2 T x (MXene) Interlayers for High ‑ Energy and High ‑ Power Sodium ‑ Ion Capacitors Siyang Liu, Fangyuan Hu*, Wenlong Shao, Wenshu Zhang, Tian peng Zhang, Ce Song, Man Yao, Hao Huang, Xigao Ji an* Nano‑Micro Lett.(2020)12:135 https://doi.org/10.1007/s40820-020-00473-7 本文亮点 1 . 提出了一种 新颖的N掺杂策略 ，即在二维MXene中间层实现C 2 N 3 − 的三聚。 2. 改进并证明了Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM复合阳极的 超快速赝电容行为 。 3. 通过阳/阴极质量匹配制成了具有高能量密度、长循环寿命的 钠离子电容器 。 内容简介 将超级电容器和钠/锂离子电池机制“内部交叉”,使得两者的优点有机结合于一体,构筑钠/锂离子混合电容器已引起广泛研究和开发。该类器件可为高能量、高功率的社会能源需求问题提供有效的解决方案。然而，由于钠离子半径较大(1.02Å)，其在充放电过程中的缓慢扩散动力学目前饱受困扰。因此，可控地制备具有多级结构和大量活性位点的新型高性能电极材料是关键所在。Ti 3 C 2 T x MXene具有良好的金属导电性，其独特的层状结构能够很好地储存Na + 离子，因此是一种非常具有发展潜力的钠离子电池电极材料。目前，如何有效的利用其表面大量的氧化还原活性位点是关键所在 。 大连理工大学蹇锡高院士团队 为了进一步提高Ti 3 C 2 T x 的储钠性能，提出了一种在Ti 3 C 2 T x MXene层间实现氰基原位三聚的新策略，从而制备高性能钠离子电容器用阳极材料。其扩大的层间距和活性表面积为Na + 离子的提供充足空间，有利于提高材料的结构稳定性；另一方面，原位三聚合产物替代-F基位点而有效的与Ti通过化学键合，实现高含量的稳定N掺杂，提升电化学反应动力学。 结果显示，Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM材料具有非常优异的电化学性能，在100 mA/g的电流密度下，经过1000次循环，可逆容量可达182.2 mAh/g；其组装的钠离子电容器具有较大的能量密度(97.6 Wh/kg)、功率密度(16.5 kW/kg)以及良好的长循环特性。 图文导读 I Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM复合阳极的制备 如图1a所示，采用一步水热合成策略，在二维Ti 3 C 2 T x MXene中间层和表面实现C 2 N 3 − 阴离子的原位三聚。齐聚物C 6 N 9 3− 在水热过程中通过稳定的化学键替代了−F的位点， 稳定均匀的存在于Ti 3 C 2 T x 中间层。从FTIR光谱和XRD图谱可以看出，Ti 3 C 2 T x 的结构没有被破坏，生成了无定形的高N掺杂三聚碳产物。此外，由于三聚产物和游离钠离子的协同作用，Ti 3 C 2 T x 的层间距由10.0 Å扩大至12.6 Å，从而为电解质离子的传输提供了一个开放的空间并因此缓解了二维纳米片的堆积。 图1. (a)Ti 3 C 2 T x /Na3TCM的合成示意图。(b)Na-dca，Ti 3 C 2 T x 和Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM的FTIR光谱，插图显示了C 2 N 3 − 至C 6 N 9 3− 的热三聚过程。(c)Ti 3 C 2 T x 和Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM的XRD图谱。 II Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM的结构表征 由Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM和Ti 3 C 2 T x 的高分辨XPS和Ar离子溅射图像可以看出，齐聚物C 6 N 9 3− 与Ti 3 C 2 T x 表面裸露的Ti原子通过化学键紧密结合。此外，F原子的含量由15.5减少到5.2 at.%，相反，N原子的含量由0增加到5.6 at.%，其中在三嗪环中近80%的N-5和N-6可以快速储存钠离子并提供高的赝电容。由显微图谱得知，Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM呈现出未被破坏的2D纳米片堆栈结构，且层间距得以扩张。EDS元素分布图表明C、Ti、O、N、Na元素均匀的分布在Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM杂化材料中。 图2. (a)Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM和Ti 3 C 2 T x 的高分辨率Ti 2p XPS光谱。(b)Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM和Ti 3 C 2 T x 的高分辨率N 1s XPS光谱。(c)Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM和Ti 3 C 2 T x 的氮气吸附-解吸等温线和孔径分布图。(d)Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM的SEM图。(e)Ti 3 C 2 T x 和(f)Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM的HR-TEM图像。Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM的(g)STEM图像以及相应的h C，i Ti，j O，k N和l Na的元素映射图像。 III Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM的储钠性能探究 以Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM为活性电极，钠为对电极，玻璃纤维为隔膜，1 M NaClO 4 为电解质组装成纽扣电池，进行了电化学性能测试，结果如图3所示。Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM表现出了优异的循环性能和倍率性能，在100 mA/g的电流密度下循环1000圈后，容量没有衰减；在0.05，0.1，0.2，0.5，1，2和5 A/g的电流密度下，其容量分别可以达到210, 174, 157, 147,135, 109和95 mAh/g。此外，通过动力学分析得知，Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM作为高赝电容材料展示出超快的钠离子储存行为。 图3. (a)Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM在不同扫描速率下的CV曲线。(b)在电流密度为20 mA/g时的第一次循环和第20个循环后的充放电曲线。(c)电极的倍率性能。(d)电极的长期循环性能和库伦效率。(e)Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM和Ti 3 C 2 T x 在循环前后的Nyquist图。(f)电极在阴极和阳极峰处的b值。(g)样品在不同电位下的阳极峰b值。(h)在0.1到1 mV/s的各种扫描速率下的电容贡献率。 IV Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM的第一性原理计算 运用第一性原理对Na + 离子在Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM中的静态吸附和动态嵌入可行性进行了理论计算，如图4所示。结果表明，在Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM最稳定位上的Na原子的E ads (−3.22 eV)比原始Ti 3 C 2 T x (−3.05 eV)低，很容易说明增加的N原子降低了整个体系的吸附能，从而促进了Na离子的储存。此外，相对于在Ti 3 C 2 T x 表面扩散时，Na + 离子在Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM表面的迁移能垒更低。计算结果表明在N掺杂后，Na + 离子的扩散速率增加；随后，Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM表面更容易吸收Na离子，从而促进了电解质中游离Na离子的额外插层，这与实验结果吻合得很好。 图4.(a-c)吸附在1×1 Ti 3 C 2 表面上不同位点的O原子。Na原子吸附在3×3的(d)Ti 3 C 2 T x 和 (e)Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM 表面上最稳定的位置。(f)NEB计算中Na在Ti 3 C 2 T x 和Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM表面的扩散曲线。 V Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM//AC钠离子电容器的组装及其电化学性能 为了更好地评价Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM的电化学性能，以Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM为阳极、商业活性炭(AC，YP80F)作阴极并组装为钠离子电容器，在0~4V的高电压窗口下测试其电容特性。通过优化不同阳/阴极质量比，最终获得性能最为优异的钠离子电容器Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM//AC-1:2。通过恒流充放电的积分曲线计算可知，该钠离子电容器在功率密度为76 W/kg时，其能量密度为97.6 Wh/kg，当功率密度增加至16.5 kW/kg时，其能量密度为36.6 Wh/kg，值得注意的是，Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM//AC-1:2在36s内完成快速充放电过程时，仍能达到50 Wh/kg的高能量密度。此外，Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM//AC-1:2在4000次循环后表现出优异的电容保持率约为90.8%，8000次循环后约为82.6%。 图5. (a) Ti 3 C 2 T x /Na 3 T CM//AC NIC 的电荷存储机制。(b)不同阳/阴极质量比的Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM//AC NIC的CV曲线对比。(c)Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM//AC NIC与先进的基于MXene电极的LIC和NIC的Ragone图。(d)Ti 3 C 2 T x /Na 3 TCM//AC NIC的电容保持率和库伦效率。 作者简介 刘思洋 本文通讯作者 大连理工大学材料学院 博士研究生 ▍ 主要研究领域 针对于Mxene基、碳基复合材料的设计与开发及其在钠离子电容器储能器件方面的应用。 ▍ 主要研究成果 现已在Nano-Micro Lett., Nano energy, J. Mater. Chem. A等期刊发表多项研究成果。 ▍ Email: Liu0sy@mail.dlut.edu.cn 胡方圆 本文通讯作者 大连理工大学 副教授 ， 博士生导师 ▍ 主要研究领域 主要从事电极材料的设计与开发及其在离子混合型电容器、钠离子电池、锂硫电池中的应用研究；从分子设计出发，开发新型微孔聚合物电解质膜并探索其在能源领域的应用。 ▍ 主要研究成果 现任辽宁省能源材料及器件重点实验室副主任。主持国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金青年科学基金项目省部级以上项目4项，此外还主持大连市青年科技之星计划项目，参与完成十二五863计划课题和国家自然科学基金联合基金重点支持项目。在能源材料领域和交叉学科期刊如Nano Energy，J.Mater. Chem. A，ACS Appl. Mater. Interfaces等发表论文20余篇，授权/申请发明专利10余项。曾获辽宁省“兴辽英才”青年拔尖人才，大连市“青年科技之星”等荣誉称号，入选大连理工大学“星海学者”人才培育计划等，获辽宁省自然科学学术成果奖二等奖，鞍山市科技进步一等奖，大连市自然科学优秀学术论文一等奖等科研奖励。 ▍ Email: hufangyuan@dlut.edu.cn 蹇锡高 本文通讯作者 大连理工大学 教授，博士生导师 ▍ 主要研究成果 蹇锡高，中国工程院院士，有机高分子材料专家，大连理工大学教授，博士生导师。现任大连理工大学高分子材料研究所所长、辽宁省高性能树脂工程技术研究中心主任、《中国材料进展》副理事长、中国塑料加工工业协会专家委员会副主任、中国新材料技术协会名誉会长、中国膜工业协会专家委员会副主任、中国石油与化学工业联合会专家委员会副主任等职，享受国务院政府特殊津贴。蹇锡高院士长期从事高分子材料合成、改性及其加工应用新技术研究，在高性能工程塑料、高性能树脂基复合材料、耐高温特种绝缘材料、涂料、耐高温高效功能膜等领域做出了重大创造性成就和贡献。先后主持完成国家重点科技攻关、“863”、军工配套、973项目子课题、国家自然科学基金、科技部创新基金、火炬计划、振兴东北老工业基地项目、省市重大科技攻关及产业化项目等30余项。授权发明专利20余件，其中2项专利被评为世界华人重大科技成果，12项技术成果已产业化。先后被评为国家有突出贡献中青年专家，获国防军工协作配套先进工作者、辽宁省优秀专家等称号。先后获得包括2003年国家技术发明二等奖、2011年国家技术发明二等奖在内的12项省部级以上科技奖励；获2015年世界知识产权组织和中国知识产权局颁发的中国发明专利金奖和2016年日内瓦国际发明展特别金奖。 ▍ Email: jian4616@dlut.edu.cn 撰稿： 原文作者 编辑：《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子：12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore：12.9，材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区：材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820)，欢迎关注和投稿。 E-mail： editor@nmletters.org Tel： 021-34207624
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高载硫量Li-S电池： 基于MXene的正极结构设计与隔膜修饰
nanomicrolett 2020-8-7 19:09
Comprehensive Design of the HighSulfur-Loading Li-S BatteryBased on MXene Nanosheets Shouzheng Zhang 1,3‡ , Ning Zhong 2‡ , Xing Zhou 2 , Mingjie Zhang 2 , Xiangping Huang 3 , Xuelin Yang 1* , Ruijin Meng 2 , Xiao Liang 2* Nano‑Micro Lett.(2020) 12:112 https://doi.org/10.1007/s40820-020-00449-7 本文亮点 1. 将带负电的MXene纳米片与正电荷修饰的科琴黑/硫(KB/S)或KB进行 静电自组装 ，以构建交织结构的复合材料。 2. 所设计的KB/S@Ti 3 C 2 T x 结构构架允许高硫负载并适应其相应的体积变化，在维持 结构完整性 的同时维持 良好的离子和电子运输能力 。 3. KB@Ti 3 C 2 T x 中间层进一步 抑制了从硫正极逸出的多硫化物 。此外它的面密度仅为0.28 mg cm -2 ，厚度仅为3 μm，对电池能量密度的影响极小。 研究背景 面对便携式电子设备，电动汽车以及可再生能源不断增长的需求，迫切需要开发具有低成本、高能量密度和长使用寿命的储能设备。技术分析表明当Li-S电池面能量密度达到4 mAh cm -2 时可与当下最新的Li-ion电池技术相竞争从而体现出其高能量密度的优势，然而高载量下的厚硫电极面临体积膨胀、动力学慢和循环性能差的挑战。本工作基于对多硫化物具有强吸附作用且具有高电导率的MXene材料，从正极结构设计以及隔膜修饰两方面综合设计一种可容纳大量硫、有效截留多硫化物并在循环中维持高效离子和电子传导的材料结构，旨在构建高硫载量下稳定循环的Li-S电池。 内容简介 三峡大学材料与化工学院杨学林团队与湖南大学化学化工学院梁宵团队共同合作，基于梁宵教授对MXene材料在锂硫电池的开发应用基础上，以科琴黑(KB)辅助材料构造骨架，交织包裹MXene纳米片，通过静电自组装制备具有交织结构的KB/S@Ti 3 C 2 T x 复合正极材料和KB@Ti 3 C 2 T x 复合材料分别用于构造稳健的硫正极以及中间层修饰隔膜。该综合设计可在高硫载量下维持厚电极的稳定性，显著抑制多硫化物逸出电极避免造成电极结构的坍塌并且修饰后的隔膜更进一步的阻碍多硫化物的穿梭效应，从而表现出优良的电化学性能。 在此，我们基于MXene纳米片进行了电极材料和电池结构的综合设计，旨在实现高硫面负载的Li–S电池的稳定循环性能。将固有的带负电的MXene纳米片组装到正电荷修饰的科琴黑/硫(KB/S)颗粒上，以构建交织的KB/S@Ti 3 C 2 T x 复合材料。科琴黑提高了硫的电导率，Ti 3 C 2 T x 保障了对可溶性多硫化物的物理/化学吸附并进一步提高了电导率。更重要的是，自组装构成的二次粒子结构显著的维持了硫电极充放电时体积变化下的结构稳定性。通过类似的自组装方法制备的KB@Ti 3 C 2 T x 涂覆在商用隔膜上，以进一步阻碍可能从阴极逸出的多硫化物。KB@Ti 3 C 2 T x 中间层的面积载荷仅为0.28 mg cm -2 ，厚度为3 μm，对厚电极的体积和质量影响不大，从而几乎不影响电池的能量密度。通过结合稳健的KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极和有效的KB@Ti 3 C 2 T x 改性隔膜，我们获得了于相对较少的电解液下循环稳定的Li–S电池，具有相对较高的硫面负荷(5.6 mg cm -2 )和较高的面容量(6.4 mAh cm -2 )。 图文导读 I KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极材料与KB@Ti 3 C 2 T x 涂层材料 的制备 图1a是KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极材料的制备流程示意图。选择LiF/HCl混合溶液为刻蚀剂剥离制备单层Ti 3 C 2 T x 纳米片。用PEI修饰载硫后的KB/S材料使其带有正电荷，通过正负电荷相互作用力使得固有的带负电的Ti 3 C 2 T x 纳米片与KB/S自组装构成二次粒子，该复合材料以KB/S为核，Ti 3 C 2 T x 纳米片层层包裹，具有交织的构造。图1b表征了各个材料的ZETA电位，证明了静电自组装成功进行。正电荷修饰后的材料KB/S-PEI和自带负电荷的Ti 3 C 2 T x 纳米片在水中分散性极好，当两者混合后由于静电作用进行自组装从而沉降。KB@Ti 3 C 2 T x 涂层材料的制备方法类似。图1d、e和图1f、g分别为KB/S和KB/S@Ti 3 C 2 T x 的SEM图像，可以明显的看出Ti 3 C 2 T x 纳米片被均匀的组装到KB/S上构成10 μm左右的二次粒子。 图1.(a)KB/S@Ti 3 C 2 T x 复合材料的制造示意图。(b)Ti 3 C 2 T x 纳米片，KB/S-PEI和KB/S@Ti 3 C 2 T x 的Zeta电位。(c)KB/S-PEI，Ti 3 C 2 T x 和KB/S@Ti 3 C 2 T x 水悬浮液的数码照片。KB/S(d，e)和KB/S@Ti 3 C 2 T x (f，h)的SEM图像。 II KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极材料的电化学性能和抗体积变化能力 我们通过SEM表征系统地评估了KB/S@Ti 3 C 2 T x 和KB/S电极在循环过程中电极结构的变化。如图2a，c所示，KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极和KB/S电极在未循环时电极材料都是紧密互连的，但经过10圈循环后，KB/S电极上表面发生了明显的损坏和裂纹(图2d)，而KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极则并未检测到电极发生明显的破坏(图2b)。横截面SEM图像表现出更多有关电极结构稳定性的详细信息。在循环之前，两个电极的厚度相同。KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极紧密连接的颗粒略微膨胀约为18％(图2e，f)，而KB/S电极在充电时坍塌，并在电极中留下裂纹和孔洞(图2g，h)。我们假设多硫化物溶解是KB/S电极坍塌的原因，导致活性物质损失并在电极中留下孔洞。这种差异说明 KB/S@Ti 3 C 2 T x 复合材料具有将活性物质保持在电极中的能力，同时二次粒子的结构可适应循环中的体积变化，从而有效地维持了电极的完整性。 图2.通过SEM图像对比两种硫电极(a)未循环的KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极，(b)10个循环后的KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极，(c)未循环的KB/S电极，(d)10个循环后的KB/S电极SEM图像。KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极在循环之前(e)和10个循环之后(f)的横截面SEM图像，(g)未循环的KB/S电极和(h)KB/S电极10个循环之后的横截面SEM图像。 图3a为KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极在0.2 C至2 C范围内各种倍率下的电压曲线。即使是在高倍率下，其仍能表现出明显的双电压平台。图3b表现出KB/S@Ti 3 C 2 T x 较优异的倍率性能。图3c表明KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极比KB/S电极具有更好的电化学性能。0.2 C倍率下，100次循环后，KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极的放电容量为812 mAh/g，而KB/S电极的放电容量仅为603 mAh/g。图3d为KB/S@Ti 3 C 2 T x 在0.5 C的长循环，显示了其在400个循环中的稳定。图3e显示了KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极在硫负荷为4.5 mg cm -2 时的电化学性能。在前两个循环中，电池在0.05C下被激活，然后在0.2 C下长期循环。在0.05和0.2 C下的放电容量分别为920和655 mAh/g。100次循环后，容量保持551 mAh/g。与之形成鲜明对比的是，KB/S电池即使在较低的硫面负载(2.6 mg cm -2 )下也只能表现出较低的容量并迅速衰减。图3f为KB/S和KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极的EIS测试，较低的电荷转移电阻表明KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极中的硫氧化还原动力学得到了改善。 图3. (a)KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极在0.2 C至2 C范围内各种倍率下的电压曲线。(b)KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极的倍率性能。(c)KB/S和KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极在0.2 C下的循环性能。(d)KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极在0.5 C的长循环。(e)KB/S和KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极在硫负载分别为2.6 mg cm -2 和4.5 mg cm -2 时，0.2C倍率下的循环性能。(f)KB/S和KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极的奈奎斯特图。 III KB@Ti 3 C 2 T x 涂层进一步提高硫的利用率 在隔膜和正极之间插入中间层是进一步阻碍多硫化物穿梭的有效的方法。图4a SEM图片显示KB@Ti 3 C 2 T x 复合材料是由MXene基体和均匀分布的KB构成的。具有交织结构的KB@Ti 3 C 2 T x 复合材料表面积的增加保证了其充分的暴露出活性位点。用刮刀将复合材料涂覆到隔膜上。图4b的SEM图像显示KB/S@Ti 3 C 2 T x 颗粒被均匀地涂覆在隔膜的表面。KB/S@Ti 3 C 2 T x 的面负载约为0.28 mg cm -2 ，厚度约为3 μm，仅占硫电极厚度的3％(图4c)。KB@Ti 3 C 2 T x 中间层比大多数报道的中间层薄得多，太薄而无法显着影响Li-S电池的体积/重量能量密度。制备好的KB@Ti 3 C 2 T x 涂层修饰隔膜可保持出色的柔韧性和机械强度，如图4d折叠形状时没有开裂脱落的现象。为了验证KB@Ti 3 C 2 T x 涂层修饰隔膜具有抑制多硫化物穿梭的能力，组装了可视H型玻璃电池。图3e显示多硫化物迅速扩散穿过未改性的隔膜，4小时内右侧容器中的溶液从无色变为浅黄色，表明多硫化物的扩散不受控制。与之形成鲜明对比的是，带有KB@Ti 3 C 2 T x 涂层修饰隔膜的H型电池8小时后右侧容器中的溶液仅开始变成浅黄色。 图4. (a)KB/S@Ti 3 C 2 T x 的SEM图像。(b)KB/S@Ti 3 C 2 T x 涂层修饰隔膜的SEM图像。(c)KB/S@Ti 3 C 2 T x 涂层修饰隔膜的SEM截面图。(d)KB/S@Ti 3 C 2 T x 涂层修饰隔膜的照片。(e)使用未改性PP隔膜和KB/S@Ti 3 C 2 T x 涂层修饰后隔膜测量多硫化物的渗透。 图5显示了KB@Ti 3 C 2 T x 改性隔膜对Li–S电池电化学性能的影响。在具有和不具有改性隔板的情况下，基于KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极的电池之间进行了比较。图5a 循环伏安法(CV)测量表明KB@Ti 3 C 2 T x 涂层隔膜可增加阴极峰值电流。中间层中的MXene会在充电/放电过程中抑制多硫化物的逸出，并为活性材料提供额外的反应位点，从而获得额外的电子流。图5b的电压曲线证明了KB@Ti 3 C 2 T x 修饰隔膜可显著提高电池的比容量，同时也变现出更佳的倍率性能(图5c)。图5d显示了带有KB@Ti 3 C 2 T x 修饰隔膜的电池在1 C时也具有更好的循环性能。该电池的初始放电容量为880 mAh/g，在400个循环后仍保持629 mAh/g的相当大的容量，相当于每个循环衰减0.071％。相应地，在图5e中绘制了高硫载量时的面积容量和比容量。其放电容量在0.05 C下为1137 mA h/g，在0.2 C下为810 mAh/g，相应的面容量分别为6.4 mAh cm -2 和4.5 mAh cm -2 。100次循环后，电池仍可提供约600 mAh/g的容量。 图5. (a)具有未改性隔膜和KB/S和KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极的CV曲线，以及具有KB@Ti 3 C 2 T x 修饰后隔膜的KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极的CV曲线。带有KB@Ti 3 C 2 T x 修饰后隔膜的KB/S@Ti 3 C 2 T x 电池的(b)电压曲线，倍率为0.2 C至2C，及(c)倍率性能。(d)带有KB@Ti 3 C 2 T x 修饰隔膜的KB/S@Ti 3 C 2 T x 电极在1 C下的长循环性能及(e)在0.2 C下，5.6 mg cm -2 时高硫负载下的循环性能。 作者简介 梁宵 本文通讯作者 湖南大学 教授、博士生导师 ▍ 主要研究领域 围绕储能电池的基础科学问题，重点开展纳米尺度上电极/电解液界面电化学过程分析及电极反应机理研究，致力于认知微观界面结构与宏观电化学性能关联性，进而从从原子、分子水平设计构筑功能型电极材料与界面，并实现高效储能电池系统的长续航。具体方向为1.锂硫电池；2.水系电池；3.全固态锂电池。 ▍ 主要研究成果 湖南省百人计划(2017年)、湖湘高层次人才计划(2019年)获得者。2012年博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，2013年在加拿大滑铁卢大学进行博士后研究，2017年10月入职湖南大学。主要从事高比能二次电池研究，任《储能科学与技术》编委。近年来共发表学术论文30篇，包括Nature Energy (2篇)，Nature Commun.，Angew.Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，ACS Nano等论文15篇。论文被引用7000余次，共有14篇论文入选ESI高被引文章(其中12篇为第一作者)，且有4篇论文被评为热点文章。获中国发明专利4项(已授权)，申请国际发明专利4项。 ▍ 个人主页： http://grjl.hnu.edu.cn/p/B316BAD9D59ABDBDD16A23011534A5DF#208 杨学林 本文通讯作者 三峡大学教授、博士生导师 ▍ 主要研究领域 主要从事新型能源材料(锂离子电池电极材料)研究，新能源存储技术、高性能储能电池技术。 ▍ 主要研究成果 带领研究团队承担了包括国家自然科学基金8项(主持面上项目3项)、教育部重点项目、湖北省杰出青年基金、湖北省产学研重大及企业横向课题等项目20余项；在Nano Energy等国际权威刊物上发表SCI论文90余篇(ESI论文5篇)，引用1800余次。在天然石墨应用研究领域取得了突破性进展，获授权发明专利12项(转让2项)，为合作企业建成新型锂离子电池石墨负极材料中试生产线一条，研究成果曾获得湖北高校十大科技成果转化项目提名奖；与企业共同申报并获批了湖北省新型石墨材料工程研究中心(2010年)、新型石墨材料国家地方联合工程研究中心(2013)，实现了宜昌地区国家级工程研究中心“零”的突破，为区域石墨产业创新平台建设和新材料产业创新发展起到了积极的推动作用。 ▍ 个人主页： http://clyhg.ctgu.edu.cn/info/1015/3269.htm 撰稿：原文作者 编辑：《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624
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MXene超电电极综述：Ti3C2Tx 的可控合成、结构构建及储能机理
nanomicrolett 2020-6-1 13:21
Enhancing Capacitance Performance of Ti 3 C 2 T x MXene as Electrode Materials of Supercapacitor: From Controlled Preparation to Composite Structure Construction Xiaobei Zang, Jiali Wang, Yijiang Qin, Teng Wang, Chengpeng He, Qingguo Shao, Hongwei Zhu, Ning Cao* Nano‑Micro Lett.(2020) 12:77 https://doi.org/10.1007/s40820-020-0415-5 研究背景 超级电容器由于具有比电池更高的功率密度，比传统平板电容器更高的能量密度，被认为是下一代能源存储设备。最近几年，MXene作为二维固体材料的新成员，由于具有优异的物理和化学性能，引起了研究者们的广泛关注，其作为电极材料也显示出了优异的电化学储能性能和电子导电性。 本文亮点 1. 对传统和新颖的 刻蚀方法 进行了总结和比较，特别是 无氟方法 。对加速剥离Ti 3 C 2 T x 的方法进行分类。 2. 比较了不同电解质中Ti 3 C 2 T x 的 储能机理 ，探讨了形貌和表面官能团对储能机理的影响。 3. 针对Ti 3 C 2 T x 的问题，总结并比较了 从结构调节到复合结构构建 的改善电容的策略。 内容简介 Ti 3 C 2 T x 是一种新型的二维层状材料，由于其良好的金属导电性，氧化还原反应活性表面等优点，被广泛用作超级电容器的电极材料。但是，Ti 3 C 2 T x 存在许多挑战有待解决，阻碍了其获得理想的比电容，例如钛的重新堆积，重新压碎和氧化。最近，许多增强Ti 3 C 2 T x 的电容性能策略被提出。中国石油大学(华东)曹宁副教授团队在这篇综述中，总结并比较了改善Ti 3 C 2 T x 超级电容器电极材料的比电容的最新策略，例如成膜，表面改性和复合方法。此外，为了理解这些机理，本综述分析了不同电解质中的储能性能及其影响因素。该综述有望预测超级电容器中Ti 3 C 2 T x 材料的研究方向。 图文导读 I 提高Ti 3 C 2 T x 电容的一般策略 图1. (a)Ti 3 C 2 T x 的结构;(b)N掺杂的Ti 3 C 2 T x ；(c)Ti 3 C 2 T x /层状金属双氢氧化物；(d)Ti 3 C 2 T x /导电聚合物；(e)碳插层的Ti 3 C 2 T x 复合纸；(f)WO 3 /Ti 3 C 2 T x 复合纸；(g)3D Ti 3 C 2 T x 气凝胶。 II Ti 3 C 2 T x 性质 图2. Ti 3 C 2 T x 结构。(a)Ti 3 C 2 T x 的原子构型图；(b)Mxene蚀刻和剥离的工艺示意图；(c)Ti 3 C 2 T x 颗粒和Ti 3 C 2 T x 的扫描电子显微镜(SEM)图像。 III Ti 3 C 2 T x 电容特性 3.1 双电层电容 图3.Ti 3 C 2 T x 在5 mV/s的扫描速率下的电化学性能。(a)Ti 3 C 2 T x 表面离子嵌入机理的示意图。(b)Ti 3 C 2 T x 在LiCl，NaCl和KCl水溶液中在不同电势窗口下的CV曲线。 3. 2 赝电容 图4. Ti 3 C 2 T x 在不同电解质中的赝电容。(a)H 2 SO 4 溶液中Ti 3 C 2 T x 的表面基团的变化；(b)Ti 3 C 2 T x 的CV曲线，扫描速率为20 mV/s；(c)不同扫描速率下Ti 3 C 2 T x 的质量比电容；(d)Ti 3 C 2 T x 在KOH电解质中不同扫描速率下的CV曲线；(e)使用Ti 3 C 2 T x 作为具有溶剂化或去溶剂化状态的负极的超级电容器示意图。 IV 提高容量 4.1 表面改性 4.2 成膜 图5.(a)纳米多孔Ti 3 C 2 T x 膜的制备示意图；(b)泡沫镍的SEM图像；(c)Ti 3 C 2 T x 薄膜和改性纳米多孔薄膜的CV曲线，扫描速率为10 mV/s。MP-MX x 指获得了纳米多孔Ti 3 C 2 T x 膜。 4.3 Ti 3 C 2 T x 气凝胶 图6.(a)不同放大倍数Ti 3 C 2 T x 气凝胶的SEM图像；(b)Ti 3 C 2 气凝胶的横截面图，Ti 3 C 2 气凝胶的SEM图像以及TEM；(c)Ti 3 C 2 气凝胶的CV和GCD曲线，不同质量载荷下的比电容，Ti 3 C 2 气凝胶堆叠电容的虚部(C”)的变化以及不同质量载荷下的面电容。 V 复合方法 5.1 导电聚合物 5.2 过渡金属氧化物 图7.(a)Ti 3 C 2 T x 与吡咯聚合示意图；(b)Ti 3 C 2 T x /MnO 2 纳米线的横截面SEM图像和TEM图像；(c)不同样品Ti 3 C 2 T x / MnO 2 纳米线的CV和GCD曲线。 5.3 碳基材料 图8. Ti 3 C 2 T x -rHGO纳米多孔网络。(a)SEM横截面图；(b)Ti 3 C 2 T x 薄膜和Ti 3 C 2 T x -rHGO的CV和GCD曲线以及面质量负载对体积比电容的影响。 图9. (a)静电纺丝Ti 3 C 2 T x 复合材料的形貌；(b)使用双辊法制备Ti 3 C 2 T x 纤维的过程示意图；(c) 双辊法制备Ti 3 C 2 T x 纤维的表面和横截面形貌；(d)获得的CV曲线和GCD曲线。 5.4 杂原子掺杂 图10. N掺杂的Ti 3 C 2 T x 。(a)N掺杂的Ti 3 C 2 T x 在水合电解质中电荷存储示意图；(b)使用尿素作为氮源的Ti 3 C 2 和N掺杂的Ti 3 C 2 T x 的光学和SEM图像；(c)使用不同方法制备的Ti 3 C 2 薄膜和N掺杂的Ti 3 C 2 的CV曲线。 作者简介 曹宁 本文通讯作者 中国石油大学(华东) ▍ 主要研究领域 新型碳基功能材料；材料表面工程。 ▍Email: caoning1982@gmail.com ▍个人主页: http://mse.upc.edu.cn/2018/1202/c13591a187726/page.htm 撰稿： 《纳微快报》编辑部 编辑： 《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624
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沙特Ihsanullah博士综述：MXenes在海水淡化中的研究现状和展望
nanomicrolett 2020-5-21 17:06
Potential ofMXenes inWater Desalination:Current Status andPerspectives IhsanullahIhsanullah Nano-Micro Lett.(2020)12:72 https://doi.org/10.1007/s40820-020-0411-9 本文亮点 1 综述了MXene和基于MXene的纳米材料在 海水淡化 中的应用。 2 总结了用于海水淡化的 MXene合成 的最新进展。阐述了MXenes的 除盐机理和循环能力 。 3 总结了MXene材料在海水淡化中的 挑战和未来前景 。 研究背景 MXenes是一种新的2D过渡金属碳化物，也属于氮化物和碳氮化物家族，于2011年由Drexel大学的研究人员中发现。近期大量研究表明 MXene可以作用于水净化 ，包括电容性去离子，膜和吸附。这篇综述着重介绍了与MXenes和MXene基复合材料在海水淡化中的合成和应用以及未来挑战。 内容简介 MXenes是新型2D过渡金属碳化物，具有高表面积，高金属导电性，易功能化和亲水性等特点，使它们成为储能应用的最佳材料。最近在水处理和淡化中，MXenes也表现出了优秀的应用潜力。沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿产大学的Ihsanullah Ihsanullah在这篇综述中总结了用于海水淡化的MXenes和MXene基复合材料合成的最新进展。 图文导读 I MXenes作为离子筛膜 MXene纳米片可用于独立式或支撑膜中分子和离子的尺寸截留和电荷选择性截留。原理是由于MXene的层间间距受到限制，因此可以消除水中的较小离子。通过MXene(如Ti 3 C 2 T x )基膜的水通量很高，并且基于离子的电荷和水合半径，膜对各种离子均显示出极好的分离潜能。有研究通过真空辅助过滤(VAF)方法制备了Ti 3 C 2 T x 膜，并报道了选择性筛分阳离子的方法。膜的厚度在水透过膜中起关键作用。通过MXene膜的通量随厚度的增加而下降，直到在较高的厚度下达到稳态值为止。离子渗透率取决于阳离子的大小和电荷。MXene膜比氧化石墨烯对不同尺寸的带电金属阳离子和染料阳离子具有更好的选择性。 图1.Ti 3 C 2 T x 膜的合成。 图2.Ti 3 C 2 T x 膜的分离能力。 II MXenes的电容去离子(CDI) CDI是一种节能的电化学过程，其中阴离子和阳离子基于它们的电荷进行分离，并分别沉积在带正电的阳极和带负电的阴极上。电极材料的选择在CDI工艺中至关重要，理想的电极必须具有较高的表面积，良好的导电性和较高的稳定性。由于其优异的电容特性，MXenes已成为用于CDI应用的新型电极材料。基于MXene的CDI电极同时具有出色的阳离子和阴离子吸附能力，这是由于它们具有高的电导率，亲水性和可调节的表面。Srimuk等人通过将Ti 3 C 2 浇铸到CDI电池的多孔隔板上，首次引入了基于MXene的CDI电极。MXene CDI电极在30个循环中表现出出色的性能，其盐吸附能力为13±2 mg/g(在5 mM NaCl盐水溶液中为1.2 V电池电压)。离子在电极上的吸附是通过离子插入而不是双层形成而发生的，如图3所示。 图3. 在电极材料表面通过非法拉第(静电)离子电吸附进行电化学水脱盐的概念。 III MXenes应用于海水淡化 MXene具有出色的光热转换效率，使其成为太阳能脱盐应用的理想选择。MXenes的光热水蒸发能力是这些2D材料的又一个节能特性。赵等人报道了疏水性MXene膜的合成和太阳能脱盐的潜力。如图4所示，通过HCl/LiF蚀刻从MAX相中获得分层的Ti 3 C 2 (d-Ti 3 C 2 )，然后进行真空脱氧和超声处理。疏水膜是通过对d-Ti 3 C 2 进行三甲氧基表面改性而获得的。改性后获得的疏水MXene膜用于太阳能蒸发设备，该设备自浮在海水上。该膜实现71％的太阳蒸汽转化效率，1.31 kg·m 2 /h的太阳蒸发速率，以及在高盐度条件下200 h内的稳定性。四种主要离子(Ca 2+ ，Mg 2+ ，Mg 2+ 和Na + )的排斥率超过99.5％，而对于有机染料和重金属，则达到了近100％的排斥率，如图5所示。由于长期使用后盐分阻滞性差，因此不适合长期太阳能脱盐应用。 图4.疏水性d-Ti 3 C 2 T x 膜的制造过程示意图以及太阳能淡化装置。 图5. (a)太阳能脱盐前后四个初级离子的盐度。(b)有机和重金属离子排斥性能。 IV 全蒸发淡化 全蒸发脱盐是水扩散通过膜，然后蒸发成膜另一面的气相的组合。MXene/PAN复合材料和独立式MXene膜是通过将MXene悬浮液真空过滤而制得的，如图6所示。将一定量的MXene纳米片沉积在PAN基材上以制备MXene/PAN复合材料，同时通过类似的方法使用聚碳酸酯(PC)制备独立的MXene膜，然后在干燥后的基材上剥离出MXene。随着MXene纳米片的数量增加，MXene层的厚度也会增加，并且其颜色从浅绿色变为深绿色。这些膜具有全蒸发脱盐的巨大潜力，可以在95％的温度下排去99.5％的盐，并显示出85.4 L/(m 2 ·h)的水通量。与文献中报道的其他膜相比，MXene膜还显示出了对海水的出色脱盐性能。全蒸发淡化的缺点之一是能源的大量使用，然而，随着可再生能源或废物源能源的利用，能源效率有望得到显着提高。 图6.用于全蒸发淡化的MXene膜。 作者简介 Ihsanullah Ihsanullah 沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿产大学 化学工程系 Research Engineer-III ▍ 主要研究领域 水处理，膜工艺，脱盐，环境工程，用于水修复的纳米材料。 ▍ Email: ihsankhan@kfupm.edu.sa 撰稿： 《纳微快报》编辑部 编辑： 《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624
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双金属分解水制氢催化剂：Ti3C2 MXene+1T-WS2
nanomicrolett 2020-2-7 16:41
Photocatalytic H 2 Evolution on TiO 2 Assembled with Ti 3 C 2 MXene and Metallic 1T‑WS 2 as Co‑catalysts Yujie Li, Lei Ding, Shujun Yin, Zhangqian Liang, Yanjun Xue, Xinzhen Wang*, Hongzhi Cui*, Jian Tian* Nano-Micro Lett.(2020)12:6 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0339-0 本文亮点 1 Ti 3 C 2 MXene和1T相WS 2 作为 光生电子传输路径 。 2 1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 光催化剂具有 高催化活性 ，光解水产氢速率达3409.8 μmol/g/h。 内容简介 山东科技大学崔洪芝教授和田健教授课题组首次采用1T相WS 2 和Ti 3 C 2 MXene作为双金属助催化剂，通过简单的两步水热法制备了1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料，显著提高TiO 2 中光生载流子的分离效率，实现了高效的光催化分解水制氢性能。 优异的光生载流子分离效率极大的提高了1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料的光催化分解水产氢性能。这种高活性归因于双金属相1T-WS 2 与Ti 3 C 2 的存在，大大的提高了光生载流子的利用率，同时1T相WS 2 的存在也提高了复合材料的比表面积，为催化反应提供了更多的活性位点。 这项工作通过双金属助催化剂的引入为提高半导体光催化剂的光生载流子分离效率提供了一种可行的途径。并且有望代替贵金属助催化剂来实现低成本的高效率光催化剂的制备，这对实现贵金属助催化剂的替代具有重要意义。 研究背景 氢气作为洁净和可再生能源，被认为是理想的未来燃料。而利用太阳能通过半导体光催化分解水产生氢气（H 2 ）被认为是解决上述问题最有前景的方法之一。在各种半导体光催化剂中，TiO 2 因活性高、反应条件温和、反应过程无毒无害、制备成本低、可循环使用、适用性广泛等优点，是目前应用最广泛的一种半导体光催化剂。然而，由于光生电子空穴对的快速复合使得TiO 2 的应用受到限制，因此大量的工作（如表面修饰、助催化剂负载和异质结构建）致力于促进光生电子和空穴的分离。其中，助催化剂的负载已被证明是提高光催化析氢反应（HER）性能的最有效途径之一。鉴于Ag、Pt、Pd、Au等贵金属储量低及成本高等问题，寻找一种低成本、高活性的助催化剂对未来实现光催化制氢具有重要意义。 图文导读 I Ti 3 C 2 原位生长TiO 2 纳米片并均匀负载1T相WS 2 以Ti 3 C 2 MXene为钛源，通过水热氧化在Ti 3 C 2 上原位生长TiO 2 纳米片制备TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料，再通过一步水热均匀负载1T相WS 2 ，得到高催化活性的1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料（图1）。 图11T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料的合成过程示意图。 II 1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料的TEM、HRTEM和EDX能谱表征 通过简单的两步水热方法制备得到1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料，TiO 2 与Ti 3 C 2 穿插生长形成三维结构，且表面均匀生长1T相WS 2 。图2b中1T-WS 2 、TiO 2 和Ti 3 C 2 三种物相晶格条纹同时存在，及图2cEDX谱图表征了1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料的物相组成和微观结构。 图21T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料的(a)TEM图；(b)HRTEM图；(c)EDX谱图。 III 1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料 光生载流子分离与传输表征 通过稳态光致发光、时间分辨荧光衰减谱、瞬态光电流响应以及电化学阻抗研究了1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料的光生载流子的分离与传输，证明了双金属助催化剂1T-MoS 2 与Ti 3 C 2 的存在可以显著提高TiO 2 中光生电荷的分离效率（图3，图4）。 图3 1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料的(a)PL稳态谱；(b)时间分辨荧光衰减谱。 图41T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料的(a)瞬态光电流响应；(b)电化学阻抗。 IV 1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料光解水产氢性能表征 优异的光生载流子分离效率极大的提高了1T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料的光催化分解水产氢性能（图5）。这种高活性归因于双金属相1T-WS 2 与Ti 3 C 2 的存在，大大的提高了光生载流子的利用率，同时1T相WS 2 纳米斑的存在也提高了复合材料的比表面积，为催化反应提供了更多的活性位点。 图51T-WS 2 @TiO 2 @Ti 3 C 2 复合材料的(a)光解水产氢量；(b)光解水产氢速率。 作者简介 崔洪芝 本文通讯作者 山东科技大学 材料科学与工程学院 教授 博士生导师 ▍ 主要研究领域 主要从事高通量海洋耐磨耐蚀涂层技术（材料基因设计）、多孔结构功能一体化材料、光热海水淡化及光生阴极保护的研究。 ▍ 主要研究成果 山东科技大学材料科学与工程学院院长，新世纪百千万人才工程国家级人选，山东省泰山学者攀登计划特聘教授。 主持完成国家863计划课题3项、科技部国际合作重点项目1项、工信部重大专项1项、国家基金项目3项、其余项目12项。 作为第一完成人，获国家科技进步二等奖1项，山东省技术发明一等奖1项、山东省科技进步一等奖1项； 获授权专利35项、软件著作权3项； 以第一及通讯作者发表论文150余篇。 ▍ Email: cuihongzhi1965@163.com 田健 本文通讯作者 山东科技大学 材料科学与工程学院 教授 博士生导师 ▍ 主要研究领域 主要从事光电催化材料的研究，包括光催化制氢、光催化固氮、光催化CO2还原、电催化制氢、电催化固氮等研究方向。 ▍ 主要研究成果 山东省泰山学者青年专家、山东省优青。 主持完成和在研国家自然科学基金面上项目、青年基金、山东省项目等11项科研项目。 以第一作者和通讯作者在 Chemical Society Reviews、Advanced Materials、 Nano Energy等杂志发表 SCI 论文 60余篇，被引3800余次，ESI TOP 1%高被引论文9篇，ESITOP 0.1%热点论文 2篇。 ▍ Email: jiantian@sdust.edu.cn 撰稿：原文作者 编辑：《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624
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氮掺杂MXene@CNT微球：提高锂硫电池循环稳定性
nanomicrolett 2020-2-7 14:34
Rational Design of Porous N-Ti 3 C 2 MXene@CNT Microspheres for High Cycling Stability in Li-S Battery Jianli Wang, Zhao Zhang, Xufeng Yan, Shunlong Zhang, Zihao Wu, ZhihongZhuang, Wei-Qiang Han* Nano-Micro Lett.(2020)12:4 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0341-6 本文亮点 1 通过简单的 喷雾干燥法 ，成功制备N-Ti3C2 MXene@CNT复合多孔微球。 2 在复合微球内部，MXene片与CNTs相互交联，形成了 多孔的高导电网络 。 3 应用在 锂硫电池 中，N-Ti3C2 MXene@CNT微球/S正极展现出高的循环稳定性及长的循环寿命。 内容简介 浙江大学材料科学与工程学院韩伟强教授课题组利用简单的原料（三聚氰胺、氯化镍），通过喷雾干燥法实现CNTs在Mxene纳米片上的原位生长，成功制备氮掺杂Ti3C2 MXene与CNT (N-Ti3C2 MXene@CNT) 的复合多孔微球。本文的第一作者为汪建立博士生。 三聚氰胺作为氮源与碳源，在过渡金属催化剂的作用下，不仅实现CNTs在MXene片上的原位生长，且实现氮元素在MXene与CNTs结构的双掺杂。结合喷雾干燥法，成功制备N-Ti3C2 MXene@CNT微球。在微球内部，MXene与CNTs有效的结合，形成了多孔的导电网络。极性的Ti-C键、高含量氮掺杂，对多硫化物提供了强的化学固定作用，有效缓解了多硫化物的穿梭效应。 应用在锂硫电池中，N-Ti3C2 MXene@CNT微球/S正极展现出高的容量、好的倍率性能及出色的循环稳定性。在1C的电流密度下，电池释放927 mAh/g高的比容量，1000次循环后仍保持775 mAh/g容量，显示出极低的容量衰减率（0.016%/圈）。此外，本文为其他类型的CNTs复合微球材料制备提供了新的思路，在电化学储能领域展现出好的应用前景。 研究背景 MXene二维材料由于好的导电性、高的比表面积及强的极性，被认为是一类理想的硫固定材料，近几年被广泛应用于锂硫电池中。然而在实际应用过程中，MXene材料由于表面氢键的作用，纳米片极易发生团聚，限制了其性质的发挥。通过与碳管（CNTs）的简单混合，不仅能有效防止MXene片的团聚现象，而且能提高复合材料的导电性。但直接的物理混合会带来分散差、结合弱等问题。通过简单的方法实现CNTs在MXene片上的原位生长，被认为是一种有效的解决方法。且氮掺杂MXene/CNT多孔微球材料在锂硫电池中尚未有文献报道。 图文导读 I N-Ti 3 C 2 MXene@CNT 微球材料的表征 首先，通过氢氟酸刻蚀与氩气气氛下超声处理，对MXene 进行剥离。SEM结果显示，剥离后MXene呈现出明显的片状结构，片的横向大小为微米尺寸。随后，加入氯化镍及盐酸处理的三聚氰胺（HTM）。由于MXene片表面带负电，在静电引力的作用下，NiCl 2 及HTM被有效吸附于MXene表面。在高温处理下，NiCl 2 被还原成Ni颗粒，作为催化剂实现CNTs在MXene纳米片上的原位生长。结合喷雾干燥法，制备N-Ti 3 C 2 MXene@CNT微球。在微球内部，MXene与CNTs有效的结合，形成了多孔的导电网络。 图1(a，b)氢氟酸刻蚀后多层MXene，(c，d)超声剥离后MXene纳米片，(e)N-Ti 3 C 2 ，(f，g)N-Ti 3 C 2 @CNTs，(h，i)N-Ti 3 C 2 @CNTs微球的SEM图。 XRD结果表明，微球主要成分为MXene、CNTs及催化剂Ni纳米颗粒。由于MXene与CNTs在微球内部的有效交联，微球显示出高的比表面积（388.6m 2 /g）与高的孔体积（0.72cm 3 /g）。XPS分析可得，微球结构中存在11.86 at%的氮元素掺杂。Ti元素的XPS谱中Ti-N键与N元素中的N-Ti键证实了氮元素在MXene结构中的掺杂。相比于N-Ti 3 C 2 ，N-Ti 3 C 2 MXene@CNT微球中N-Ti键的比例显著减小；且C1s谱中，N-Ti 3 C 2 MXene@CNT微球的C-N键比例高于N-Ti 3 C 2 ，此结果源于氮元素在CNTs结构中的掺杂。上述结果表明，氮掺杂同时存在于MXene与CNTs结构中。氮元素的掺杂不仅可以提高材料的导电性，而且能够增加对多硫化物的固定能力。 图2 (a)制备材料的XRD图；(b)N-Ti 3 C 2 @CNTs的氮气吸脱附曲线及孔径分布图；N-Ti 3 C 2 , N-Ti 3 C 2 @CNTs及 N-Ti 3 C 2 @CNT微球的(c)XPS谱，(d)C1s，(e)Ti2p，(f)N1s图谱。 II 锂硫电池电化学性能表征 随受限空间孔径的减小和含氧量的增加，GH和GA的质量、含水率、均呈现先增加后减小的趋势，在pH=5.5时达到最大，GH和GA表面的亲水性逐渐增强。ATR-IR中体相水和GH的羟基峰的偏移表明GH中受限水的存在，Raman谱图进一步说明GH中受限水的含量随pH的增加而逐渐增加，对GH的羟基峰分峰的结果表明， GH受限水中具有不完整氢键结构的水分子含量逐渐增加，以上分析说明GH中受限水被成功调控。CV曲线中，相比于N-Ti 3 C 2 /S与N-Ti 3 C 2 MXene@CNT/S，N-Ti 3 C 2 MXene@CNT 微球/S电极显示出更高的还原峰，表明微球复合电极中更快的反应动力学过程。这得益于CNT与MXene的交联结合，形成了多孔的导电网络。在三种复合硫电极中，N-Ti 3 C 2 MXene@CNT微球/S展示出最高的比容量及倍率性能。在0.2C电流密度下循环200圈，电极仍保持1025.3 mAh/g高的比容量，对应高达91.2%的容量保持率。将电流密度提高到1C，N-Ti 3 C 2 /S循环400圈，容量衰减严重；N- Ti 3 C 2 MXene@CNT/S电极循环700圈，容量也出现明显衰减。而微球复合电极能稳定循环1000圈，循环后仍保持775.6 mAh/g容量，对应极低的容量衰减率（0.016%/圈）及高的循环稳定性。 图3(a)N-Ti 3 C 2 @CNT微球/S电极的CV曲线；(b)CV曲线在电压1.9-2.2V的放大图；(c)复合硫正极的倍率性能；(d)N-Ti 3 C 2 @CNT微球/S电极在不同电流密度下的充放电曲线；复合硫正极在(e)0.2C，(f)1C下的循环性能。 III 高 电化学性能机理分析 循环前，N-Ti 3 C 2 MXene@CNT微球/S电极显示出最小的半圆直径，对应小的电化学转移阻抗。循环后，微球复合电极的电化学转移阻抗及电荷传输阻抗均显著低于N-Ti 3 C 2 /S与N-Ti 3 C 2 MXene@CNT/S电极。这一方面得益于CNTs的引入对电极导电性的提高；另外一方面得益于微球内部，MXene与CNTs更加有效的结合。多硫化物复合物的XPS中，Ti-S键的存在表明MXene对多硫化物的有效固定。通过氮元素的掺杂及多孔结构的合理设计，能进一步提升材料对多硫化物的吸附、固定能力。得益于好的导电性与对多硫化物强的固定能力，N-Ti 3 C 2 MXene@CNT微球/S电极在高的电流密度（4C）与高的硫负载下（6mg/cm 2 ），均表现出长的循环寿命及出色的循环稳定性。 图4 N-Ti 3 C 2 @CNT微球/Li 2 S 6 的(a)Ti2p，(b)S2p分谱；复合硫正极(c)循环前，(d)循环后的EIS阻抗谱；N-Ti 3 C 2 @CNT微球/S电极在(e)4C，(f)高硫负载量下的循环性能。 作者简介 韩伟强 教授 本文通讯作者 浙江大学材料科学与工程学院 ▍ 主要研究领域 主要从事微纳低维材料、锂离子电池（负极材料、锂硫电池、锂负极改性及全固态电池等）和电催化领域的研究。 撰稿：原文作者 编辑：《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624
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双极自支撑！大比容水系锌离子电容器
nanomicrolett 2019-10-24 16:30
A New Free – Standing Aqueous Zinc – Ion Capacitor Based on MnO 2 – CNTs Cathode and MXene Anode Siliang Wang, Qiang Wang, Wei Zeng*, Min Wang, LiminRuan, Yanan Ma* Nano-Micro Lett.(2019) 11: 70 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0301-1 本文亮点 1 通过在水系电解质中组装自支撑的 二氧化锰-碳纳米管(MnO2-CNTs)电池型阴极和MXene(Ti3C2Tx)电容器型阳极 ，得到了新型锌离子电容器(ZIC)。 2 MXene阳极具有大比电容，避免了ZIC阴极和阳极之间的 电容失配问题 。 3 本文所提出的ZIC的性能卓越，使其成为 下一代储能设备 有潜力的候选者。 内容简介 安徽大学王思亮与曾玮课题组和湖北汽车工业学院马亚楠课题组，研制出基于MnO2-CNTs阴极和MXene阳极的新型自支撑水系ZIC。 水系ZIC的阴极和阳极采用自支撑电极(真空抽滤和剥离获得)，不需要导电粘结剂，减小了器件额外质量和体积；利用比电容较大的MXene自支撑膜充当电容型阳极，有效的避免了ZIC阴极和阳极的电容失配问题；采用ZnSO4-MnSO4水系电解质，器件的安全性得以保障，同时MnSO4抑制了阴极中MnO2的溶解，器件的寿命得以大幅度提升。 水系ZIC表现出优异的电化学性能(基于阴极和阳极的总重量)，例如高比电容115.1 F/g(1 mV/s)，高能量密度98.6 Wh/kg(77.5 W/kg)，高功率密度2480.6 W/kg(29.7 Wh/kg)，高电容保持率83.6％(15,000次循环)。 即使在水系凝胶电解质中，ZIC也表现出优异的电化学性能和柔性。这项工作为设计高性能储能设备提供了有效的方法。 研究背景 受能源存储机制的限制，当前的能源存储装置具有一些缺点，例如电池的低功率密度和超级电容器的低能量密度。尽管，最近的离子电容器，例如锂和钠离子电容器，可以实现高能量和高功率密度。但是，大多数锂或钠离子电容器采用有机电解质，容易造成严重的安全事故；在有机电解质体系中，由于正负电极动力学与电容的失配，因此很难获得高性能的储能器件；受电池型电极本征特性限制，这些锂或钠离子电容器循环寿命不长；少数基于水系电解质的锂和钠离子电容器，其能量密度往往不高。因此有必要开发高能量密度、高安全性和长寿命的新型水系离子电容器。 图文导读 ▍ MnO2-CNTs 电池型阴极和MXene电容器型阳极 采用真空抽滤和剥离的方法实现了自支撑的MnO2-CNTs电池型阴极和MXene电容器型阳极，如图1所示。利用电池型和电容型的储能机理，可以实现能量密度和功率密度均高的目标。 图1MnO2-CNTs阴极和MXene阳极的表征。MnO2的(a)SEM图，(b)TEM图，(c)XRD图谱；MXene的(d)SEM图，(e)元素面扫描图，(f)XRD图谱；(g)MnO2-CNTs阴极表面和截面(插图)，(h)MXene阳极表面和截面(插图)和(i)MnO2-CNTs阴极和MXene阳极实物图。 ▍ ZIC在水系液态电解质中的电化学性能 ZIC在水系液态电解质中表现出优异的电化学性能。例如，高比电容115.1 F/g(1 mV/s)，高能量密度98.6 Wh/kg(77.5W/kg)，高功率密度2480.6 W/kg(29.7Wh/kg)和高电容保持率83.6%(15,000次循环)。 图2ZIC在水系液态电解质中的电化学性能。(a, b) CV曲线，(c) GCD曲线，(d)比电容与扫速关系，(e) 能量密度和功率密度，(f) 奈奎斯特图(插图是拟合电路图)，(g) 初始和最后十个循环的GCD曲线和 (h) 循环寿命和库仑效率。 ▍ ZIC在水系凝胶电解质中的电化学性能和柔韧性 在水系凝胶电解质体系下，ZIC依然表现出优良的电化学性能和柔性。例如，在1mV/s的扫描速率下，ZIC比电容高达97.3 F/g; ZIC的能量和功率密度分别高达67.8 Wh/kg(59.9W/kg)和1085.3 W/kg(12.4Wh/kg); 在弯曲角度从0°到120°过程中，器件CV和GCD曲线几乎没有变化，奈奎斯特图几乎相同。 图3ZIC在水系凝胶电解质中的电化学性能和柔性。(a，b) CV曲线，(c) GCD曲线，(d) 能量功率和功率密度(插图显示LED由单个ZIC驱动)，(e) 单个ZIC(A，B)和串并联连接ZICs的GCD曲线，(f) ZIC柔性示意图；0-120°弯曲角度下 (g) CV曲线(10 mV/s)，(h) GCD曲线(0.415 A/g)和 (i) 奈奎斯特曲线。 作者简介 王思亮 电子信息工程学院副教授，硕士生导师 ▍ 主要研究领域 研究方向为柔性储能器件(超级电容器、锌离子电池)、应力传感器和光探测器。 ▍ 主要研究成果 近年来，以第一作者、通讯作者或主要作者身份在ACS Nano、Advanced Energy Materials、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A、Advanced Electronic Materials、ACS Applied Materials Interfaces等知名国际学术期刊上发表SCI论文20余篇，其中入选ESI高被引论文一篇。 主持和参与国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和安徽大学高层次人才引进基金。 Email: sliang_wang@163.com 曾玮 （ 本文通讯作者） 电子信息工程学院副教授，硕士生导师 ▍ 主要研究领域 研究方向为储能器件(超级电容器)及传感器(压力、电磁场传感器)。 ▍ 主要研究成果 近年来，以第一作者、通讯作者或主要作者身份在ACS Applied Materials Interfaces、Journal of Power Sources、Advanced Electronic Materials等知名国际学术期刊上发表SCI论文20余篇。 主持或参与国家自然科学基金、安徽省自然科学基金等项目。 Email: youfmail@163.com 马亚楠 （ 本文通讯作者） 湖北汽车工业学院副教授，硕士生导师 ▍ 主要研究领域 主要研究功能纳米材料的可控制备、性能调控及其在压敏传感器和能源储存等相关领域的应用研究。 ▍ 主要研究成果 近年来，以第一作者或主要作者身份在Nature Communications、ACS Nano、Advanced Electronic Materials、Sensorand Actuators B、Nano Energy、ACS Applied Materials Interfaces等知名国际学术期刊上发表SCI论文20余篇，其中入选ESI高被引论文一篇。 主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金以及湖北省重点实验室开放项目一项(汽车传动与电子控制)各一项，并参与多项国家基金面上项目。 Email: mayn@huat.edu.cn 撰稿：原文作者 编辑：《纳微快报》编辑部 水系ZIB·往期回顾 👇 超大层间距提升负载！首次报道一种新型钒基水系ZIBs正极材料 清华大学徐成俊：揭示水系Zn/MnO2锌离子电池储能新机理 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624
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北化徐斌教授：MXene助力新能源电池！
nanomicrolett 2019-10-12 15:58
Plate-to-LayerBi2MoO6/MXene-HeterostructuredAnode for Lithium-Ion Batteries Peng Zhang, Danjun Wang, Qizhen Zhu*, Ning Sun,Feng Fu*, Bin Xu* Nano-Micro Lett.(2019) 11: 81 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0312-y 本文亮点 1 采用 静电自组装 在二维MXene纳米片层上负载钼酸铋，构筑出具有 盘-片异质结构 的Bi2MoO6/MXene复合负极材料； 2 MXene作为基底材料，可显著 改善Bi2MoO6的导电性 并有效 缓冲其充放电过程中的体积膨胀 ； 3 Bi2MoO6/MXene异质结构表现出 高的比容量、超长的循环稳定性和优异的倍率性能 。 内容简介 北京化工大学徐斌教授、朱奇珍副教授课题组与延安大学付峰教授课题组合作，在前期工作的基础上，通过在高导电性的二维MXene纳米片上负载双金属氧化物Bi2MoO6构筑了Bi2MoO6/MXene异质结构，显著改善了Bi2MoO6作为锂离子电池负极材料的电化学性能。本论文的第一作者为博士研究生张鹏。 采用静电自组装的方法将水热法制备的表面带正电荷的纳米盘状钼酸铋组装在表面带负电荷的二维MXene纳米片上。这一独特的异质结构可以有效避免Bi2MoO6的团聚，同时，具有类金属导电性的MXene的加入不仅可以显著提高电极的导电性，还可有效缓冲Bi2MoO6在嵌锂过程中的体积膨胀。因此，Bi2MoO6/MXene异质结构表现出了较高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。 研究背景 锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长、环境友好等优势，在便携式电子设备、电动汽车、规模储能等领域得到广泛的应用。然而，目前商业化的石墨负极材料容量较低，限制了锂离子电池能量密度的进一步提高。因此，开发高容量的负极材料成为当前研究的热点。钼酸铋是一种层状结构的双金属氧化物，被广泛应用作光催化材料。新近有研究表明，钼酸铋具有高的嵌锂理论比容量（790 mAh/g）和较低的嵌锂电位（＜1 V），是一种很有前景的锂离子电池的负极材料。然而，由于导电性欠佳、充放电过程中体积膨胀较大，其循环和倍率性能有待进一步改善。 图文导读 ▍ Bi2MoO6/MXene异质结构的制备过程示意图 采用LiF+HCl刻蚀Ti3AlC2制备出表面带负电的二维MXene纳米片，采用水热法合成了表面带正电荷的纳米盘状Bi2MoO6。将两溶液混合，纳米盘状Bi2MoO6和MXene纳米片静电自组装得到Bi2MoO6/MXene异质结构。 图1Bi2MoO6/MXene异质结构的制备过程示意图。 ▍ Bi2MoO6/MXene异质结构的形貌表征 从SEM图可以看出，Bi2MoO6呈不规则“盘状”结构。经静电自组装后，Bi2MoO6均匀分散在MXene片层上。 图2 (a) MXene的SEM图;(b) Bi2MoO6的SEM图;(c,d) Bi2MoO6/MXene-50%; (e,f) Bi2MoO6/MXene-30%; (g,h) Bi2MoO6/MXene-10%的SEM图。 ▍ Bi2MoO6/MXene异质结构的电化学性能 相比于纯Bi2MoO6材料，Bi2MoO6/MXene异质结构表现出较高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。Bi2MoO6/MXene-30%在0.1 A/g电流下经200次循环后比容量为在692 mAh/g,而在1 A/g的大电流下循环1000次后比容量还依旧保持有545.1 mAh/ g，表明Bi2MoO6/MXene-30%在循环过程中具有优异的结构稳定性。 图4Bi2MoO6/MXene-30%(a)在0.1 mV/s下的CV图;(b)充放电曲线;(c) Bi2MoO6/MXene-50%, Bi2MoO6/MXene-30%, Bi2MoO6/MXene-10%, Bi2MoO6的循环性能;(d) Bi2MoO6/MXene-30%在不同电流密度下充放电曲线;(e) Bi2MoO6/MXene-50%, Bi2MoO6/MXene-30%, Bi2MoO6/MXene-10%, Bi2MoO6的倍率性能;(f) Bi2MoO6/MXene-30%在1 A/g下的长循环性能。 ▍ Bi2MoO6/MXene异质结构的动力学机理 MXene的加入使得Bi2MoO6/MXene异质结构的锂离子扩散系数显著高于纯Bi2MoO6。同时，通过在不同扫速下的CV分析，Bi2MoO6/MXene异质结构的储锂容量包含了较高比例的电容贡献，因而具有优异的倍率性能和循环稳定性。 图2Bi2MoO6/MXene-30%的动力学分析:(a) GITT曲线;(b)锂离子扩散系数;(c)在不同扫速下的CV曲线;(d) log i和log v关系曲线;(e) 1 mV/s扫速下CV曲线中的电容贡献; (f) 在不同扫速下的电容贡献比例图。 作者简 徐斌 (本文通讯作者) 北京化工大学材料科学与工程学院 教授、博士生导师 ▍ 主要研究领域 主要从事先进化学电源与能源材料的研究与开发，包括超级电容器、锂/钠/钾离子电池、锂-硫电池电极材料与器件，以及电化学储能用炭材料和新型二维MXene材料等。 ▍ 主要研究成果 材料电化学过程与技术北京市重点实验室副主任，中国超级电容产业联盟副秘书长在Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, Energy Environ Sci, ACS Energy Lett, Nano Energy等期刊发表SCI论文100余篇，SCI引用4900次以上，H因子38。 获省部级科技进步二等奖2项和全国优秀博士学位论文提名。 Email: xubin@mail.buct.edu.cn; bi nxumail@163.com 朱奇珍 (本文通讯作者) 北京化工大学 青年优秀后备人才 材料科学与工程学院见习副教授 ▍ 主要研究领域 从事新能源材料的研究与开发，包括锂硫电池新型电极材料及电解质体系、锂二次电池用功能性电解液和锂/钠离子电池新型电极材料研究等。 ▍ 主要研究成果 在Nano Energy, Chemical Science, Journal of Materials Chemistry A等本学科国际重要SCI期刊发表论文36篇。 Email: zhuqz@mail.buct.edu.cn 付峰 (本文通讯作者) 延安大学化学与化工学院 教授、博士生导师 ▍ 主要研究领域 主要从事能源催化材料的研究与开发、资源高效清洁利用工艺技术开发等。 ▍ 主要研究成果 陕西省“三秦人才”计划入选者、陕西省“化学工程与技术”重点学科带头人、教育部高等学校化工类专业教学指导委员会委员、延能-延大综合能源产业技术研究院院长。先后在Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., J. Catal., J. Mater. Chem. C, Ind. Eng. Chem.Res., Chem. Eur. J.等期刊发表研究论文80余篇；授权国家发明专利9项；获省级科学技术奖二等奖1项、三等奖2项。 Email: yadxfufeng@126.com 撰稿：原文作者 编辑：《纳微快报》编辑部 MXene其他领域应用 ·往期回顾 👇 电磁屏蔽纸！超薄“三明治+梯度”结构的CNT/MXene/纳米纤维素复合材料 NML研究文章｜界面作用“显身手”：NiSe2/Ti3C2Tx(MXene)助力超电及电催化分解水！ 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624
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电磁屏蔽纸！超薄“三明治+梯度”结构的CNT/MXene/纳米纤维素复合材料
热度 1 nanomicrolett 2019-9-19 17:09
Ultrathin and Flexible CNTs/MXene/Cellulose Nanofibrils Composite Paper for Highly Efficient Electromagnetic Interference Shielding in X-Band Wentao Cao, Chang Ma, ShuoTan, Mingguo Ma*, Pengbo Wan*, Feng Chen* Nano-Micro Lett. (2019) 11: 72 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0304-y ▍ 本文亮点 ▍ 1 采用交替抽滤的策略，设计出具有梯度结构和“三明治结构”的超薄柔性碳纳米管/MXene/纳米纤维素三元复合纸。 2 该三元纳米复合纸展现出优异的力学性能和高效的X波段电磁屏蔽性能。 3 基于碳纳米管、MXene以及纳米纤维素，探索了不同组分和结构的设计对于电磁屏蔽性能的影响机理，对于拓宽MXene材料的应用领域具有重要的参考价值。 ▍ 内容简介 ▍ 同济大学附属第十人民医院陈峰研究员课题组 与 北京林业大学马明国教授课题组 、 北京化工大学万鹏博研究员课题组 合作，研制出具有梯度结构和“三明治结构”的超薄柔性碳纳米管/Ti3C2MXene/纳米纤维素三元复合电磁屏蔽纸 (CMT GS)。曹文涛博士生为论文的第一作者。 本文采用 交替抽滤 的策略，成功设计出具有多级结构、优异力学性能、高效电磁屏蔽性能的 CNTs/Ti3C2 MXene/CNFs复合纸 。通过调整不同组分的排列组合方式，研究了不同组分、不同内部结构对复合材料力学性能和电磁屏蔽性能的影响机理。 所得三元复合电磁屏蔽纸的导电性可达2506.6 S/m，拉伸强度可达97.9±5.0 MPa，拉伸断裂应变可达4.6±0.2%，电磁屏蔽性能最高可达38.4 dB。 本研究的开展有利于 解决传统屏蔽材料厚度大、柔韧性差等问题 ，将生物质纳米纤维素与碳纳米管和MXene进行复合，并引入其他功能性材料和独特的结构设计，对于开辟纳米纤维素功能化和高值化利用，拓展MXene电磁屏蔽材料的应用领域具有重要的参考价值。 / 研究背景/ 随着电子科技的繁荣发展，功能性电磁材料和设备已广泛应用于各个领域，由此引发的 电磁污染 也引起人们的广泛关注。电磁污染不仅会干扰电子设备的正常运行，使设备出现系统失控或功能失灵的严重故障，而且会对周围自然生态环境造成破坏，出现基因突变、生长受限、病变或凋亡等现象。除此之外，长期高强度的电磁辐射污染也会危害人类身体健康，对人体神经系统、免疫系统、生殖系统和内分泌系统等造成严重的影响，从而引发一系列的临床疾病。 高效的电磁屏蔽材料可以有效的减轻或消除电磁辐射对于设备运行和人体健康的影响。相对于比重大、耐酸碱性差的传统金属材料，碳基材料如碳纳米管(CNTs)由于具有轻量和柔韧性好的特点受到了人们的青睐。目前虽然已经取得了一定的研究进展，但是 如何制备超薄、柔性和具有高效屏蔽性能的材料仍然是当前亟待解决的难题 。 MXenes是于2011年被美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi课题组首次报道的一类新型的二维过渡金属碳化物/碳氮化物。它的化学式为M n +1 AX n , 其中( n = 1–3)，M代表早期过渡金属；A通常代表第三主族和第四主族化学元素；X代表C或N元素。近年来，MXenes材料由于具有大的比表面积和高的导电性等优点，被广泛报道用作电磁屏蔽材料。然而，MXene的力学性能较差，难以承受一定程度的变形，限制了其应用领域的拓展。纳米纤维素(CNFs)作为一种极具发展潜力的天然生物高分子材料，相比普通纤维素有机械强度高、杨氏模量高、亲水性强等优点，经常被用作复合材料中的力学增强相。 ▍ 图文导读 ▍ ▍ CMT GS的制备过程及原料分析 采用交替抽滤的策略，设计出具有梯度和“三明治结构”的碳纳米管/Ti3C2MXene/纳米纤维素三元复合电磁屏蔽纸，如图1所示。所得复合屏蔽纸可以达到仅约38 μm的超薄厚度。 图1 (a)CMT GS复合纸的制备过程;(b,c)Ti3C2MXene的水分散液和TEM图;(d,e)CNTs的水分散液和TEM图;(f,g)CNFs的水分散液和FTIR图;(h,i)CMC GS复合纸的柔性及厚度分析。 ▍ 复合材料的基础表征 CNTs的加入会使CNTs/Ti3C2 MXene (CM) 层的截面呈现波浪状起伏结构，并引入很多裂缝状微孔，从而增加其复合层的比表面积，如图2所示。所制备的CMC GS复合纸具有明显的梯度结构和“三明治”结构。 图2(a,b)CNTs/Ti3C2MXene复合层的SEM和BET分析;(c)CMT GS复合纸的SEM和EDS mapping图像。 ▍ CMT GS复合纸的力学性能分析 机械性能测试结果表明，CNFs的加入会明显提升复合材料的力学性能，其中CMT GS复合纸拉伸强度可达97.9±5.0 MPa，拉伸断裂应变可达4.6±0.2%。并且在弯曲过程中，CMT GS复合纸的导电性基本不变。 图3(a)材料的力学性能分析；(b)CMT GS复合纸在弯曲过程中的电阻变化；(c)CMT GS复合纸的断裂机制分析。 ▍ 特殊结构对复合纸电磁屏蔽性能的影响 对具有不同结构的复合材料的电磁屏蔽性能研究结果表明，具有中间绝缘CNFs层的“三明治”结构可以显著提高复合材料的电磁屏蔽值 (EMI SE)；而梯度结构对复合材料的EMI SE值影响不大，但对材料的吸收系数 (A) 和屏蔽系数 (R) 有较大影响。 图4 (a)不同“三明治”结构的复合纸的屏蔽性能对比;(b)具有不同CNFs含量的CM-CNFs-CM复合纸的屏蔽性能对比;(c,d)不同梯度结构的CM复合纸的EMI SE值和A值对比。 ▍ 特殊结构对复合纸电磁屏蔽性能的影响 通过合理调控各组分的比例和抽滤顺序，所制备的CMT GS复合纸的屏蔽性能最高可以达到38.4 dB；并且CMT GS复合纸对比于其他金属基或碳基屏蔽材料在厚度和屏蔽性能方面都展现出极大地优势。 图5(a,b)具有不同结构的CMT GS复合纸的EMI SE值和A值对比;(c)CMT GS复合纸的屏蔽机制分析;(d)CMT GS复合纸的屏蔽性能和其他屏蔽材料的对比。 作者简介 陈峰 (本文通讯作者) 同济大学附属第十人民医院和转化医学 高等研究院 研究员、博士生导师 第十人民医院攀登人才计划领军人才 ▍ 主要研究领域 主要致力于仿生结构材料及其在生物医学领域应用的研究。 ▍ 主要研究成果 至今发表和被接收SCI论文100余篇，包括Chem. Rev., Adv. Mater., ACS Nano, Mater. Horiz., Biomaterials, Small等权威或著名学术期刊，论文被引4100余次，H指数35； 获中国发明专利授权18项，美国专利授权1项； 研究成果曾得到了人民日报、中国科学报及英国皇家物理学会等几十家国内外学术机构或重要媒体的关注报道。 Email: fchen@tongji.edu.cn 马明国 (本文通讯作者) 北京林业大学 材料科学与技术学院教授、博士生导师 林业生物质材料与能源教育部工程研究中心副主任 ▍ 主要研究领域 主要从事纳米纤维素资源化、功能化、高值化以及循环利用的研究工作。 ▍ 主要研究成果 已发表SCI收录论文130余篇，发表的论文在SCI中被他人引用3000余次，H-Index指数25； 获授权国家发明专利10件，被邀请撰写综述论文14篇，参与编写英文专著12部。 主持完成包括国家自然科学基金面上项目等课题18项，参与国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家“十二五”科技支撑计划、十三五国家重点研发计划等项目11项。 2016年度荣获教育部自然科学奖二等奖，2017年度荣获中国林业青年科技奖。 Email: mg_ma@bjfu.edu.cn 万鹏博 (本文通讯作者) 北京化工大学 材料科学与工程学院研究员、博士生导师 ▍ 主要研究领域 主要从事有机/无机纳米功能复合材料的可控合成、表面改性、分离分析及其在催化、传感、能源、环境、纳米器件、超分子组装、高分子功能化等方面的应用研究。 ▍ 主要研究成果 近年来在Adv. Mater., Adv.Funct. Mater., Small, J. Mater. Chem. A等期刊发表SCI论文多篇； 数篇论文入选ESI TOP1%高被引论文。 研究成果多次被MaterialsViews China网站报道。 主持国家自然科学基金面上/青年项目、北京市自然科学基金面上项目、中石化安全工程研究院项目等，参与科技部重大专项(2016YFC0801300)。 Email: pbwan@mail.buct.edu.cn 相关阅读 MXene应用·往期回顾 👇 NML研究文章｜界面作用“显身手”：NiSe2/Ti3C2Tx(MXene)助力超电及电催化分解水！ 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624
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MXene材料
richor 2018-9-17 10:11
关于 MXene 材料：二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，是由美国德雷塞尔大学（ Drexel University ）的 Yury Gogotsi 教授和 Michel W. Barsoum 教授等人在 2011 年合作发现的一种新型二维结构材料。 目前的引用已经上千： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201102306 其化学通式可用 M n+1 X n T z 表示 ， 其中 M 指过渡族金属 （ 如 Ti ， Zr ， Hf ， V ， Nb ， Ta ， Cr ， Sc 等 ） ， X 指 C 或 / 和 N ， n 一般为 1-3 ， T z 指表面基团 （ 如 O 2- ， OH - ， F - ， NH 3 ， NH 4 + 等 ） . 昌英研究的Ti 2 CO 2 的结构为： \0 \0 其中，b图中蓝色上面也是有O的，只不过颜色盖住了。 大连理工在该领域做了很好的工作： http://carbon.dlut.edu.cn/info/1049/1419.htm 纳米涂覆有机物衍生碳提高MXene结构稳定性。 石墨烯是广泛使用的导电基质材料，但理想的石墨烯与多数极性分子、溶剂介质等相互作用较弱，不适用于 构筑 高性能复合电极材料。对石墨烯进行 化学功能化 可有效调变其化学反应活性与界面性质，但同时 破坏其二维共轭结构 ，从根源上限制了复合材料电化学性能的提高。 由于高比例金属原子在表面的暴露， MXene 在 氧化性气氛 中容易相变为 TiO 2 半导体并伴随 二维结构的坍塌 ，这不仅限制了 MXene 自身的应用，也对基于 MXene 的复合材料材料创制提出了巨大挑战。 结构能否稳定，是一大重点。 Yury Gogotsi 在 2017 年对 MXene 在储能领域应用的综述： http://www.cailiaoniu.com/65641.html 二维材料： http://www.cas.cn/syky/201508/t20150818_4412538.shtml 目前，除石墨烯外，二维六方氮化硼、 过渡族金属硫化物、氧化物 、 黑磷 等二维材料也被制备出来，极大地拓展了二维材料的性能和应用。 2017 年，《科学通报》出了一个专题。 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=528739do=blogid=1068014 ［六方氮化硼］ 与石墨是等电子体，具有白色石墨之称。 http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=156872 氮化硼纳米管，预测于 1994 年，并于 1995 年合成。 ［碳纳米管］ 1985 年，“足球”结构的 C60 一经发现即吸引了全世界的目光， Kroto H. W. 、 Smalley R. E. 、和 Curl R. F. 亦因共同发现 C60 并确认和证实其结构而获得 1996 年诺贝尔化学奖 。在富勒烯研究推动下， 1991 年 一种更加奇特的碳结构——碳纳米管被日本电子公司（ NEC ）的饭岛博士发现。
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