『Angew』河北大学李战雨&张文明:通过Mo2C (MXene)表面氧化原位合成MoO3,实现水系铝离子电池稳定的近表面反应

学术   2024-10-24 08:02   湖北  


全文摘要
三氧化钼(MoO3)由于其高理论容量,是一种很有前途的用于水系铝离子电池的正极材料。然而,MoO3在水性电解质中面临一些挑战,例如反应产物易溶解、体积膨胀和低电导率,这严重限制了其在水系电池中的应用。在这项工作中,河北大学李战雨教授&张文明教授团队的研究人员通过在Mo2C MXene层上原位生长MoO3有效地提高了电极的整体电导率。MXene可以有效抑制MoO3反应产物的溶解和结构损失。此外,Mo2C和MoO3的配位效应在MXene层合板上实现了稳定的近表面反应,使Mo2C/MoO3复合材料表现出优异的铝存储性能(在0.4 A/g下循环200次后为123.5 mAh/g)。通过非原位表征阐明了H+/Al3+共插入/萃取的储能机制,并通过密度泛函理论计算验证了Mo2C对MoO3反应动力学的促进作用。这项工作为提高AAIB正极的稳定性提供了新的见解,并扩展了Mo基MXene在水系电池中的应用。
图文速递


图1:Mo2C/MoO3阴极先进优势示意图



图2:Mo2C/MoO3的合成与表征

(a)Mo2C/MoO3合成工艺示意图。(b)Mo2C/MoO3的SEM图像和(c)HRTEM图像。(d)Mo2C、MoO3Mo2C/MoO3的XRD谱图和(e)拉曼光谱。Mo2C/MoO3、MoO3和Mo2C的Mo 3d(f)和O 1s(g)XPS谱图。



图3:Mo2C/MoO3的电化学性能

(a)0.2 mV/s时的CV曲线。(b)0.2 A/g时MoO3Mo2C/MoO3的GCD曲线。(c)在不同电流密度下的速率能力。(d)0.2 A/g下Mo2C、MoO3Mo2C/MoO3的循环性能。(e)0.4 A/g下Mo2C、MoO3Mo2C/MoO3的循环性能。(f)不同刻蚀时间下,循环后Mo2C/MoO3电极的XPS光谱强度等高线图。(g)Mo2C层间离子插入/萃取及Mo价态跃迁示意图。(h)与其他水系铝电池正极材料的电化学性能比较。



图4:Mo2C/MoO3的反应动力学

(a)不同充放电状态下的GITT曲线和(b)Al3+扩散系数。(c)不同扫描速率下Mo2C/MoO3电容容量的归一化贡献率。(d)H+和Al3+在MoO3、Mo2C和Mo2C/MoO3中的吸附能。(e)Mo2C/MoO3结构界面处的差分电荷密度。(f)5 M Al(OFT)3电解质中Mo2C/MoO3阴极充放电储存机理示意图。



图5:Mo2C/MoO3的电荷存储机制

(a)Mo2C/MoO3充放电曲线。(b-d不同充放电电位下的原位XRD图。(e)不同电位下Al 2p的XPS光谱强度等值线图。(f)Mo 3d在不同电位下的非原位XPS谱。(g)MoO3晶体结构中H+和Al3+的插入/萃取示意图。

研究结论
综上所述,本文报道了Mo2C MXene在水系铝离子电池中的首次应用。通过在Mo2C的层间和表面原位生成MoO3晶体,实现了双重效益:MoO3支持Mo2C的层间结构以确保稳定性,Mo2C层有效减轻离子插入和提取引起的晶格损伤。Mo2C提供了许多活性位点,并作为导电骨架,增强了整体导电性,改善了离子扩散和电荷转移能力。Mo2C的存在防止了由反应副产物溶解引起的电极失活,从而实现了优异的循环稳定性和速率性能。此外,通过非原位表征阐明了H+/Al3+在Mo2C/MoO3中共插入/萃取的储能机理。通过深度剖析,发现了Mo2C/MoO3独特的近表面反应,使Mo2C能够持久地为MoO3提供导电骨架和离子扩散通道。DFT证实了Mo2C对MoO3反应动力学的积极影响。本研究拓展了钼基MXene在水系电池中的应用,为提高水系电池正极材料的稳定性提供了新的见解。
原文链接

In Situ Synthesis of MoO3  by Surface Oxidation of Mo2C (MXene) for Stable Near-Surface Reactions in Aqueous Aluminum-Ion Battery

Yi Wang,Tianci Wu,Yong Lu,Wenming Zhang*,Zhanyu Li*
https://doi.org/10.1002/anie.202416032


水系能源
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