具有穩定氟介面2D磷烯MXene高效儲鈉

【研究背景】

鈉離子電池（SIBs）是一種新興的可替代的可充電電池系統，因其具有較低的成本、豐富的鈉元素的儲量以及與鋰離子電池相似的插層化學。然而，對於一般的電極材料來說，Na

+

更大的離子半徑不僅限制了其移動更會導致嚴重的結構膨脹。在眾多的儲鈉電極材料中，磷（P）基於合金化反應：3Na+P

Na

3

P因而具有最高的理論容量：~2600 mAh g

-1

。磷主要有三種同素異形體，包括白磷，紅磷和黑磷。通常情況下，白磷具有最高的反應活性但對人類身體也具有致命的毒性，因此不適合作為一種電極材料。紅磷作為鈉電負極材料已經被廣泛研究，其較低的固有電導率以及較低的離子擴散速率限制了快速充放電效能以及應用於電池時的迴圈壽命。黑磷是熱力學最穩定的和最高導電性的同素異形體。尤其是，塊狀黑磷可以被剝離成2D層狀奈米片（被稱之為磷烯），利用了2D結構材料應用於儲能的優勢，如較短的離子擴散路徑，更大的面積體積比和較多的活性位點。然而就像大多數2D材料一樣，磷烯也會經歷嚴重的重堆疊問題，此外，在合金化和去合金化過程中造成的較大的體積膨脹，會破壞磷烯的電極結構進而影響電池效能。

為了解決上述問題，複合其他互補的2D材料是一種有效的方式。MXenes是一種新興的2D層狀過渡金屬碳化物/氮化物，具有較高的導電性，良好的彈性以及超高的親水性。MXenes傑出的導電性使電子和鹼金屬離子成為半導體或非導電電極材料（如金屬氧化物、矽、磷）理想的互補材料。因此，將磷烯與2D MXene奈米片複合，是解決嚴重的重堆疊問題的一種有效方式。

【成果簡介】

最近，

澳大利亞悉尼科技大學汪國秀教授與Hao Liu教授合作

，在國際知名學術期刊

ACS Nano

上發表題目為：

Boosting Sodium Storage in Two-Dimensional Phosphorene /Ti3C2Tx MXene Nanoarchitectures with Stable Fluorinated Interphase

的研究論文。

該論文透過原位形成氟化介面，

使

黑磷/MXene複合負極可以穩定且快速儲鈉。

將磷烯奈米片與

Ti

3

C

2

T

x

MXene複合不僅可以促進電子與鈉離子的轉移，還能夠限制結構膨脹，進而提升複合電極的迴圈效能，在0。1 A g

-1

的電流密度下可達到535 mAh g

-1

的可逆容量，與此同時，在1 A g

-1

的高電流密度下，經過1000次充放電迴圈，可以保留初始容量的87%。

【圖文導讀】

圖1.

複合電極的合成過程示意圖以及微觀形貌表徵：SEM， TEM，HRTEM，STEM和mapping。

圖2.

複合電極與對比樣品的XRD，Raman和XPS圖譜。

圖3.

複合電極的電化學效能測試：CV，GCD，迴圈穩定性，倍率效能以及高電流密度下的迴圈效能。

圖4.

複合電極的深入XPS分析與交流阻抗圖。

圖5.

對

複合電極和對比樣品對鈉的吸附與擴散的理論計算。

【本文總結】

綜上所述，該論文使用了高導電性的所製備的

Ti

3

C

2

T

x

與高容量的磷烯複合作為高效能鈉離子電池的負極材料。實驗探究和理論計算證明了Ti

3

C

2

T

x

MXene在2D異質結構中不僅可以緩衝磷烯的體積膨脹，還可以促進鈉離子的擴散。除此之外，對迴圈的電極進行深入的XPS分析表明MXene的氟基官能團透過形成富含氟的SEI膜，進而穩定迴圈效能並改善庫倫效率。證明了具有官能團的無機2D材料可以有效調節SEI膜並促進電池的電化學效能。

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