【文章信息】
超稳定、低迂曲度、快速离子纳米通道的MXene 电极
第一作者：张宇航
通讯作者：岳阳*，王思亮*，温莉*
单位：安徽大学
要点一：HC-HMXene优势以及计算
HC-HMXene相比于原始MXene展现出了最大离子可及性、最优离子传输路径和超稳定离子纳米通道的优势。此外，通过DFT和COMSOL模拟了锌离子传输的势垒、离子传输路径的通量以及氢键的相互作用的过程并结合材料的表征，证实了HC-HMXene 是电极材料的绝佳选择。
图 1. a HC-HMXene 膜相对于 MXene 膜的具体优势示意图。b MXene 和 ANF 之间氢键形成的原子结构和差电荷示意图。c浸泡过程中 MXene 和 HC-HMXene 的微观作用力示意图。d MXene 和e HMXene上不同位点的差电荷图。f不同位点的Zn2+ 吸附能汇总。g使用 COMSOL 软件模拟原始 MXene 和 HMXene 中的离子传输通量。
图 2. a制备 HC-HMXene 复合薄膜和组装 ZIMC 的过程示意图。b MAX 和 MXene 的 HAADF-STEM 图像。c MXene 和d HMXene 的SEM 图像。f MXene 和g HMXene 的 TEM 图像；插图显示了 SAED 图样。h孔状纳米片的高倍 HAADF-STEM 图像，橙色箭头标记了空位。i HMXene 纳米片的 HAADF-STEM 图像和 EDS 图。
要点二：HC-MXene电极的超稳定性机理
通过XRD与FTIR证实了氢键的形成，并进一步阐述了电极的超稳定性主要取决于纳米片之间的静电排斥力和范德华吸引力之间的竞争关系的机理。最后通过水介质膨胀实验更为直观的展示了电极的超稳定性
图 3. a-h 不同 MXene薄膜的光学图像、丁达尔效应和截面 SEM 图像。i MXene 和 HC-HMXene 的氮吸附-解吸等温线和j 孔径分布。k 不同 MXene 薄膜和 MAX 的 XRD图。l ANF 和不同 HMXene 薄膜的傅立叶变换红外光谱。m 范德华吸引力和静电排斥力的总作用力随层间距离变化的示意图 。n 根据 XRD 图样获得的 MXene 和 HC-HMXene 膜在水溶液中离子纳米通道的稳定性比较。o MXene 和 HC-HMXene 薄膜浸泡前后稳定性的数字图像。
要点三：HC-MXene的电化学性能以及最大离子可及性
通过实验发现基于 HC-HMXene 的 ZIMC展现出了优异的电化学性能。进一步对HC-MXene的扩散系数和迂曲度进行计算，从理论上更清晰地证明了其具有最佳的离子传输途径和最大的活性位点的机理。
图4. a 不同 MXene 基薄膜的拉伸应力-应变曲线、b 拉伸强度和c 韧性 。d ZIMC 在充电过程中的工作机制以及放电过程中Zn2+插入的 iDPC 和 HADDF 图。e 不同 MXene 基 ZIMC 的 CV 和f GCD 曲线。g-h HC-HMXene 和基于 MXene 的 ZIMC 的EIS图以及相应扩散系数的计算。i 迂曲度计算示意图。j 该工作与文献中报道的其他工作相比较。
【文章链接】
Hyperstable Low-tortuosity Fast Ion Nanochannels for MXene Electrodes
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103829
