本文創(chuàng)新性地使用二維MXene (Ta
4C
3)來調(diào)節(jié)釩氧化物的空間基團和電子性能，并制備了具有3D網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的MXene/金屬-有機框架(MOF)衍生物VO
2(B)@Ta
4C
3，然后將其用作陰極來改善水性鋅離子電池(ZIBs)的性能。采用HCl/LiF和水熱相結(jié)合的方法對Ta
4AlC
3進行腐蝕，得到大量手風(fēng)琴樣Ta
4C
3，然后在剝離的Ta
4C
3 MXene表面進行水熱生長VMOF。在V-MOF@ Ta
4C
3的退火過程中，Ta
4C
3MXene的加入使V-MOF從凝聚堆積中解放出來，使其顯示出額外的活性位點。更重要的是，Ta
4C
3阻止了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的V-MOF在退火后轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g群Pmmn的V
2O
5，而轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g群C
2/m的VO
2(B)。VO
2(B)用于Zn
2+插層的優(yōu)勢在于插層過程中可忽略的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和特殊的隧道運輸通道，其沿B軸的面積為0.82 nm
2。根據(jù)第一原理計算，VO
2(B)與Ta
4C
3之間存在較強的界面相互作用，為Zn2+的儲存提供了良好的電化學(xué)活性和動力學(xué)性能。因此，VO
2(B)@ Ta
4C
3正極材料制備的ZIBs在0.1 A·g
−1時具有437 mA h·g
−1的超高容量，同時具有良好的循環(huán)性能和動態(tài)性能。本研究為制備金屬氧化物/MXene復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了一種新的方法和參考。
圖1. VO
2(B)@Ta
4C
3的制備工藝示意圖。
圖2 (a) Ta
4AlC
3、手風(fēng)琴樣Ta
4C
3和Ta
4C
3納米片的XRD圖案。(b) Ta
4AlC
3的示意性原子結(jié)構(gòu)表示。Ta
4AlC
3 (c)和手風(fēng)琴樣Ta
4C
3 (d)的SEM圖像。(e) Ta
4C
3納米片的HRTEM圖像、SAED和SEM圖像。
圖3. (a) V-MOF、V
2O
5、V-MOF@Ta
4C
3和VO
2的XRD圖案(B)@Ta
4C
3。(b)退火過程中V-MOF@Ta
4C
3的原位拉曼光譜。(c) VO
2(B)@Ta
4C
3的低倍掃描電鏡圖像和高倍掃描電鏡圖像。(d) VO
2(B)@Ta
4C
3的HR-TEM圖像。(e−i) EDX元素映射圖像VO
2(B)@Ta
4C
3。
圖4 (a) VO
2(B)@Ta
4C
3的XPS譜。Ta4f (b)、V 2p (c)和o1s (d)區(qū)域的XPS譜。
圖5 (a) VO
2(B)@Ta
4C
3在1 mV·s
−1的前5個循環(huán)的CV曲線。(b) VO
2的前三個循環(huán)(b)在0.1 A·g
−1的充放電流量(b) @Ta
4C
3。(c) V
2O
5在1 mV·s
−1的前5個循環(huán)的CV曲線。(d)速率性能和(e) VO
2(B)@Ta
4C
3陰極從0.1到2 A·g
−1的充放電電壓。(f) VO
2(B)@Ta
4C
3在0.2 A·g
−1下循環(huán)100次的循環(huán)性能。VO
2(B)@Ta
4C
3在0.5 (g)和1 A·g
−1 (h)時的長期循環(huán)性能。
圖6 (a)不同掃描速率(0.1 ~ 2 mV·s
−1)下VO
2(B)@Ta
4C
3的CV曲線。(b) VO
2(b) @Ta
4C
3的陰極和陽極峰的log(i)對log(v)曲線。(c) V
2O
5在0.1 ~ 2 mV·s
−1不同掃描速率下的CV曲線。(d) Nyquist圖和V
2O
5和VO
2(B)@Ta
4C
3在0.2 A·g
−1循環(huán)100個周期前后的等效電路。
圖7 (a) VO
2示意圖(B)@Ta
4C
3。(b) VO
2(b)， Ta4C
3和VO
2(b) @Ta
4C
3的DOS。(c) VO
2(B) @Ta
4C
3的電荷密度差異。(d) Zn
2+在VO
2(B)@Ta
4C
3中的擴散路徑示意圖。(e) VO
2(B)@Ta
4C
3、V
2O
5、VO
2(B)的鋅離子擴散屏障曲線。
相關(guān)科研成果由華東師范大學(xué)電子系Ke Yu等人2023年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c23314)上。原文：Ta
4C
3?Modulated MOF-Derived 3D Crosslinking Network of VO
2(B)@Ta
4C
3 for High-Performance Aqueous Zinc Ion Batteries。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
