同步辐射吸收谱解析钴离子插层V2C MXene以及储锂应用

二维层状过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)是近年来发现的一类新型二维材料,基于其高导电率以及独特的层状结构,以Ti3C2Tx,V2CTx为代表的MXenes在锂离子电池以及超级电容器等能源储存方面得到了越来越广泛的研究。不过当前报道的MXenes实际储能容量均远低于理论值,因此进一步提高其储能能力至关重要。

近期,中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼教授课题组通过钴离子插层策略,成功设计和制备了具有超高储锂容量和优异循环稳定性的碳化矾 MXene电极材料。该研究通过液相刻蚀手段,在35℃下用HF刻蚀V2AlC MAX相得到了面间距为0.735 nm(小于以往报道面间距)的V2C MXene,在0.1 A/g的电流密度下表现出686.7 mA h/g 的储锂比容量,更加接近于V2C MXene约940 mA h g-1的理论储锂容量。在此基础上,进一步通过钾离子预插层和钴离子交换方法,获得了面间距扩大为0.952 nm的V2C MXene。同步辐射X-ray吸收谱分析证实了这种Co插层MXene层与层之间具有稳定的V-O-Co键,其中二价钴离子主要存在于V2C内部层间,三价钴离子主要存在于近表面的层间, 并最终计算了V2C中钴离子的平均化合价为+2.12。由于插层钴离子赝电容的贡献以及V-O-Co键的形成,该插层材料表现出1117.3 mA h/g的储锂放电比容量,并且经15000圈的循环充放电之后几乎没有容量衰减。进一步将V2C@Co电极作为正极与石墨烯负极组装成锂离子电容器并同样展现出优异的性能。这一研究工作基于同步辐射软线和硬线的X-ray吸收谱技术,不仅有效地解析了插层离子在MXene层间的存在形式,同时也为理解二维电极材料的能量存储和转化机制提供了一种有力的检测手段。

相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201802525)上。