鋰離子電池作為典型的二次儲(chǔ)能器件，擁有能量密度高、電壓高、自放電低、環(huán)境友好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能電源、新能源汽車、消費(fèi)電子、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。
近年來，新發(fā)現(xiàn)的二維過渡金屬碳化物或氮化物MXene家族由于較好的導(dǎo)電性、親水性等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)越的特性使MXene二維材料成為非常有應(yīng)用潛力的儲(chǔ)能電極材料。
MXene材料表面特性對(duì)其電化學(xué)性能至關(guān)重要。華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院江建軍教授團(tuán)隊(duì)與德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授團(tuán)隊(duì)合作，研究了限制在二維MXene Ti 3 C 2 T x層間的電荷轉(zhuǎn)移引起的EDOT聚合效應(yīng)，在不使用任何氧化劑情況下在Ti 3 C 2 T x MXene的表面上實(shí)現(xiàn)3,4-亞乙基二氧噻吩(EDOT)的原位聚合，顯著改進(jìn)了Ti 3 C 2 T x /poly-EDOT復(fù)合物的鋰離子儲(chǔ)存能力。并結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論研究揭示了EDOT電荷轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)聚合的機(jī)理，該機(jī)理可以擴(kuò)展到其他類似的聚合物對(duì)MXene二維材料表面改性研究。
該研究成果以“Charge transfer induced polymerization of EDOT confined between 2D titanium carbide layers“為題，發(fā)表在能源領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5: 5260，影響因子8.867。該論文被JMCA審稿人高度評(píng)價(jià)，并被期刊編輯選為” 2017 HOT Papers”。博士生陳馳為該工作的第一作者，江建軍教授及Yury Gogotsi教授為該論文共同通訊作者。陳馳同學(xué)感謝國(guó)家留學(xué)基金委的資助。
圖1 MXene/EDOT復(fù)合結(jié)構(gòu)及EDOT表面聚合機(jī)理示意圖
二硫化鉬(MoS2)是二維過渡金屬硫?qū)偌易宓湫偷囊粏T，由于較高的理論容量而在鋰離子電池領(lǐng)域受到大量關(guān)注。然而，由于MoS2作為電極材料時(shí)較差的導(dǎo)電性，并且在循環(huán)過程中產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，往往表現(xiàn)較差的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
近期，江建軍教授團(tuán)隊(duì)與德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授團(tuán)隊(duì)合作，通過構(gòu)建MXene/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在解決MoS2較差循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的同時(shí)，也能有效改善MXene作為電極材料容量較低的情況，從而達(dá)到雙贏的效果。該研究通過高溫處理負(fù)載硫的一種MXene(Mo2TiC2Tx)，使部分MXene被硫化，從而獲得二維MXene/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過第一性原理分析表明，在鋰離子嵌入和轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中，MXene/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)對(duì)Li和中間產(chǎn)物L(fēng)i2S更好的吸附能力，從而增強(qiáng)材料的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。2018年1月17日，國(guó)際知名期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie，影響因子11.994)在線發(fā)表了相關(guān)研究成果，論文題為“MoS2-on-MXene Heterostructures as Highly Reversible Anode Materials for Lithium-Ion Batteries”。博士生陳馳為該工作的第一作者，江建軍團(tuán)隊(duì)青年教師繆靈副教授及Yury Gogotsi教授為該論文共同通訊作者。陳馳同學(xué)感謝國(guó)家留學(xué)基金委的資助。
圖2MXene/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)合成示意圖及鋰離子存儲(chǔ)特性
超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件，因其具有充放電速度快、效率高、對(duì)環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、安全性高等綜合電化學(xué)特性，越來越受到人們的重視。然而，由于超級(jí)電容器的能量密度低于高能蓄電池一個(gè)數(shù)量級(jí)，限制了其在兼顧高能量密度領(lǐng)域的應(yīng)用。因此開發(fā)性能優(yōu)異且實(shí)用的電極材料是超級(jí)電容器研究中首當(dāng)其沖的問題。
華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院江建軍教授團(tuán)隊(duì)在與法國(guó)圖盧茲三大Patrice Simon教授的合作中，對(duì)MXene二維材料儲(chǔ)能的機(jī)理研究中取得了重要進(jìn)展。雙方團(tuán)隊(duì)在合作中建立了MXene二維材料/離子液體模擬和模型，通過分子動(dòng)力學(xué)方法模擬解釋了在充放電過程中超級(jí)電容器電極陰陽極具有完全不同充放電機(jī)制，以及驗(yàn)證了在in situXRD中所觀察到電極體積變化。2018年1月，該研究成果以“Tracking Ionic Rearrangements and Interpreting Dynamic Volumetric Changes in Two-Dimensional Metal Carbide Supercapacitors: A Molecular Dynamics Simulation Study“為題，發(fā)表在能源領(lǐng)域國(guó)際知名期刊ChemSusChem上，影響因子7.226(論文鏈接http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.201702068/abstract)。審稿人對(duì)該工作進(jìn)行了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為對(duì)二維特性電極材料充放電機(jī)制提供了微觀的認(rèn)識(shí)，并能為實(shí)驗(yàn)中電極材料的設(shè)計(jì)提供了方向。博士生徐葵為該工作的第一作者，江建軍教授及Patrice Simon教授為該論文共同通訊作者。該研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金資助(No. 51302097 & No. 51571096)。徐葵同學(xué)感謝國(guó)家留學(xué)基金委的資助。
圖3 MXene電極/離子液體模擬模型示意圖
近年來，江建軍教授團(tuán)隊(duì)與相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外多個(gè)知名課題組開展廣泛合作，在包括Nature Communication (8: 336, 2017.), Energy Environ. Sci. (9: 2586, 2016), Nano Lett (15: 4692, 2015), Advanced Energy Materials(6: 1501929, 2016), Nano Energy (12: 386, 2015; 12: 386, 2015; 11: 226, 2015)等能源、納米領(lǐng)域頂級(jí)期刊發(fā)表了相關(guān)工作。并有3名博士生同學(xué)獲得國(guó)家留學(xué)基金委資助，在國(guó)際著名課題組聯(lián)合培養(yǎng)，攻讀學(xué)位。
編輯點(diǎn)評(píng)
近年來，新發(fā)現(xiàn)的二維過渡金屬碳化物或氮化物MXene家族由于較好的導(dǎo)電性、親水性等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)越的特性使MXene二維材料成為非常有應(yīng)用潛力的儲(chǔ)能電極材料。得益于國(guó)家自然基金的大力扶持以及研究人員的創(chuàng)新探索，華中大在納米材料電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域國(guó)際合作取得重要進(jìn)展
