界面自组装高分子聚合物MXene基复合材料，提高钠离子电池负极材料动力学过程

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研究速览

■ 近日，大连理工大学胡方圆教授等人在学术期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Highly stable Ti3C2Tx MXene-based sandwich-like structure via interfacial self-assembly of nitrogen-rich polymer network for superior sodium-ion storage performance”的研究论文。该论文采用富含N高分子聚合物界面自组装的方法，构筑了一种层间距可调的高稳定MXene基钠离子电池负极材料。其中，富含N的高分子聚合物借助MXene表面丰富的官能团（-OH、-F等）进行自组装，紧密的富含N的氢键网络不仅提供了丰富的N元素（21.63 at.%），还通过MXene界面与高分子聚合物的氢键相互作用构筑了高稳定性的结构。

其中，博士生金鑫为该论文的第一作者，胡方圆教授为通讯作者。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ 近年来，消费电子品和电动汽车的快速发展加大了对大容量电池的需求。MXene凭借其高导电性、层状结构、易分散性等优势，被公认是一种具有良好储能应用前景的二维材料。然而，MXene基钠离子电池(SIBs)由于其严重的自堆积现象，导致动力学过程缓慢的问题。

■ 鉴于此，大连理工大学胡方圆教授等人合成了一种可抑制自堆积现象的高稳定性“三明治”夹层结构。该结构含氢键有利于结构稳定，且富N杂原子可提高Ti3C2Tx MXene赝电容。基于MXene的互联夹层结构，可构筑稳定的导电框架、丰富的活性位点和可调的层间距，为Na+快速传输提供通道。此外，氢键网络可有效地防止层间重新堆积，从而实现Na+的稳定存储与高效传输。改性后Ti3C2Tx MXene的N含量为21.63 at.%，不仅为Na+存储提供了额外的活性位点，且加速了Na+传输和电荷转移。作为SIBs电池负极材料，在500 mA g-1电流密度下，经过3000次循环充放电过程后，容量无衰减；在1000 mA g-1电流密度下，经过5000次循环充放电过程后，容量可达123.4 mAh g-1。

▉  工作亮点 ▉

■将富含N的高分子氢键网络自愈合机制应用于二维MXene界面，利用氢键网络缓解MXene自堆积现象，构建稳定的三明治结构。

■ 通过界面自组装法将N原子含量从0 at.%提高到21.63 at.%，引入赝电容储钠机制。

■ 通过高分子氢键网络实现MXene层间距调控，以此增加储钠活性位点利用率。

Part2

▉  研究要点1  ▉

■ 该工作利用Ti3C2Tx MXene丰富的表面化学性质，通过聚乙烯亚胺（PEI）中丰富的-NH2和MXene界面上的-OH、-F等官能团形成氢键。富含N的高分子聚合物在Ti3C2Tx MXene表面通过自组装形成聚合物氢键网络，实现MXene基三明治结构高稳定性。

▉  研究要点2  ▉

■ 围绕本工作的亮点对材料进行了表征测试，N含量从0 at.%提升到21.63 at.%。相比于原始MXene，聚合物氢键网络存在丰富的N，增加了赝电容效应，从而提升储钠容量。此外，复合结构的比表面积也有较大提升，其中，氢键网络起到调节层间距的作用，使Ti3C2Tx MXene的层间距由0.99 nm增加到1.32 nm，且C、Ti、O、F、N元素在体系中均匀分布。在此MXene基三明治结构中，富含N的氢键网络起到了“一石三鸟”的作用。

（1）调控MXene二维材料层间距，利于Na+传输，并增加活性位点利用率。

（2）丰富的N提供了额外的储钠活性位点，增加了MXene基结构的赝电容效应。

（3）在二维材料界面处引入具有自愈合特性的高分子氢键网络结构，缓解了MXene材料自堆叠现象。

▉  研究要点3  ▉

■ 为了探究这类富N高分子氢键网络构成“三明治”结构的电化学性能，将其组装成半电池进行了电化学性能测试。结果表明，储钠容量由表面扩散机制主导，这说明了该结构的储钠速率较快。由倍率性能测试可知，相比于原始Ti3C2Tx MXene倍率性能，SWMP-5的性能明显提升，说明丰富N原子提供了赝电容效应，从而提升了储钠容量。此外，将SWMP-5分别在500 mA g-1和1000 mA g-1的电流密度下进行了循环性能测试。在500 mA g-1电流密度下循环3000次，可逆容量为148.4 mAh g-1，容量保持率为102.4%；在1000 mA g-1电流密度下，经过5000次循环后，容量为123.4 mAh g-1。这表明高分子氢键网络不仅在块体材料中具有自愈性，在二维材料的界面处也可利用丰富氢键保持结构稳定，从而提升循环稳定性。

Part3

▉  研究总结  ▉

■ 该工作利用富N高分子氢键网络构筑了高稳定性MXene基三明治结构，并提高了钠离子电池负极材料的反应动力学过程。这种具有可调的层间距和丰富N原子(21.63 at.%)的新型结构，为Na+快速存储提供了通道，并增加了赝电容效应，提升储钠容量。此外，PEI氢键网络有效缓解了二维纳米片的自堆叠现象，提升了循环稳定性。这种基于MXene的三明治状复合结构为二维材料进行稳定快速储存Na+，提供了一种可资借鉴的新思路。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138763