齐鲁工业大学周国伟教授团队：MXene纳米空间限域策略应用于钠离子电池
以下文章来源于科研动态 ，作者likesci
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随着现代社会对绿色能源需求的不断增长，开发具有高容量和长循环寿命的能源存储设备对下一代电子和能源系统尤其重要。由于钠资源丰富、分布广泛、易于获取，SIBs备受关注。开发合理的电极材料来抑制Na+的体积效应，制备高容量和高稳定性的钠离子电极材料，对于提高钠离子的存储效率已迫在眉睫。MXene材料由于其丰富的表面氧化还原反应位点、高的金属电导率(6.76×105 S m-1)、可控的层间距、更稳定的层状结构以及比石墨烯更低的Na+扩散势垒，已成为能量存储应用的理想选择。
近日，齐鲁工业大学周国伟教授团队通过简便的原位静电吸附和硒化工艺，设计了一种Ni0.5Co0.5Se2/Ti3C2Tx复合材料，其中双金属硒化物纳米颗粒，均匀地锚定在3D褶皱的Ti3C2Tx上。Co的引入暴露了更多活性位点，使电极和电解液密切接触，有利于提高材料的利用率。3D结构的Ti3C2Tx可以有效地缓解Ni0.5Co0.5Se2纳米颗粒在循环过程中的体积膨胀，防止其聚集和粉碎，提升电荷转移过程和氧化还原动力学。这为利用纳米空间限域策略制备抑制结构分解的转化/合金负极材料提供了参考方法。研究成果以“Confining homogeneous Ni0.5Co0.5Se2 nanoparticles in Ti3C2Tx MXene architectures for enhanced sodium storage performance”为题发表在国际工程类知名期刊Applied Surface Science上，董旭晟为第一作者，复旦大学赵瑞正博士、齐鲁工业大学孙彬博士和周国伟教授为共同通讯作者。
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作者首先通过在原位蚀刻和后续的共沉淀反应，使得NiCo-LDH沉积在Ti3C2Tx纳米层表面，得到具有3D结构的NiCo-LDH/Ti3C2Tx的中间体。经过350 ℃硒化工艺得到具有3D褶皱的结构Ni0.5Co0.5Se2/Ti3C2Tx复合材料。在钠储存过程中，Ni0.5Co0.5Se2/Ti3C2Tx的3D褶皱结构有望增加比表面积，拓宽离子传输路径，并且Ti3C2Tx抑制Ni0.5Co0.5Se2粉碎和团聚。此外，双金属硒化物具有更丰富的活性位点、更高的导电性和更低的电荷转移电阻。Ni0.5Co0.5Se2与Ti3C2Tx的协同作用提高了结构稳定性和电化学活性，从而增强电化学性能。
图1. Ni0.5Co0.5Se2/Ti3C2Tx的合成示意图
（来源：Appl. Surf. Sci.）
如图2所示，NiCo-LDH/Ti3C2Tx的SEM图像展示其具有良好的3D结构，扩大了层间距，并为Ni0.5Co0.5Se2的均匀锚定奠定了良好的结构基础。也可以清楚地看到，尺寸均匀为15-20 nm的Ni0.5Co0.5Se2纳米颗粒均匀锚定在3D褶皱的Ti3C2Tx基底上。Ti3C2Tx不仅可以充当良好的导电基底，而且其丰富的表面官能团可以抑制Ni0.5Co0.5Se2颗粒在电化学循环过程中的粉化和体积膨胀，从而大大增强离子扩散和电子传输动力学，提高了其结构的稳定性。
图2. 形貌结构表征。
（来源：Appl. Surf. Sci.）
通过用XRD、XPS、拉曼光谱测定了样品的晶体结构、化学成分和化学键合状态。为了研究材料的比表面积和孔径分布，对其进行氮气吸附/脱附测试，对Ti3C2Tx、Ni0.5Co0.5Se2和Ni0.5Co0.5Se2/Ti3C2Tx的BET分析曲线进一步证明了多孔结构的成功构筑。由于硒化过程的煅烧增加了孔道结构，增加了比表面积。Ni0.5Co0.5Se2/Ti3C2Tx较大的比表面积有利于缩短Na+扩散路径，暴露更多的活性位点，从而增强钠存储性能。
图3. 物相结构表征
（来源：Appl. Surf. Sci.）
如4所示，Ni0.5Co0.5Se2/Ti3C2Tx负极表现出更为优异的电化学性能，在2 A g-1电流密度下Ni0.5Co0.5Se2/Ti3C2Tx负极经过1000次循环后仍能获得279.3 mAh g-1的可逆容量。结果证明，优化Ni0.5Co0.5Se2/Ti3C2Tx负极，实现二者协同效应可以显著提高钠存储性能。
图4. 储钠性能分析
（来源：Appl. Surf. Sci.）
图5. 电化学动力学研究
（来源：Appl. Surf. Sci.）
图6. 储钠机理探究
（来源：Appl. Surf. Sci.）
文献详情
通讯作者周国伟，
通讯作者周国伟，二级教授，博士生导师，山东省有突出贡献中青年专家，山东省优秀科技工作者，山东省优秀研究生导师，享受国务院政府特殊津贴。主要从事介孔材料的可控制备及在催化、能源存储与转化等领域研究。主持国家自然科学基金、济南市高校院所创新团队项目等，在Advanced Powder Materials、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry、Nano Research、Applied Materials Today等期刊上发表SCI收录论文110余篇，获山东省科学技术奖二等奖３项，获国家授权发明专利40余件。
【课题组介绍】
团队主要研究领域包括介孔材料可控制备及修饰、能源存储与转换材料、酶催化、光催化、高分子基复合材料、生物传感材料、理论计算等。近5年承担国家自然科学基金10余项。
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