复旦大学余学斌教授：三维气凝胶助力碱金属离子电池的性能提升！学术资讯

来源：高分子科学前沿

MXene是一种新兴的潜在二维材料，由于其具有亲水表面、可控柔性层间距、高金属导电性、表面官能团丰富等特点而被广泛应用于能源、电磁干扰屏蔽、析氧反应等领域。然而，与大多数二维材料一样，由于相邻纳米片之间的范德华相互作用和氢键作用，MXene纳米片的堆叠是不可避免的。近年来，尽管许多工作通过设计一种三维MXene气凝胶来有效抑制纳米片的再堆积，同时还具有丰富的多孔结构、超低的密度、柔韧性以及优异的性能。但遗憾的是，总的来说，这些报道的MXene气凝胶主要由大孔组成，而不是明确的微孔或中孔，这将大大限制了它们的比表面积和大量的传质。

鉴于此，来自于复旦大学的余学斌教授等人报道了一种MOFs@MXene的气凝胶结构，其中原位形成的MOF粒子可以有效地防止MXene的堆积，使得该结构呈三维(3D)分级多孔导电网络状并具备超轻的特性。随后，又进一步合成了由MOFs @ MXene气凝胶前驱体衍生的3D多孔MXene气凝胶螺纹中空CoS纳米盒复合材料（（CoS NP @ NHC）@MXene），由于这种高度互连的MXene网络和分层多孔结构与超细纳米晶化相结合。使得材料具有高度的电化学活性和优异电子和离子传输性能。该研究以题为“Three-Dimensional MOFs@MXene Aerogel Composite Derived MXene Threaded Hollow Carbon Confined CoS Nanoparticles toward Advanced Alkali-Ion Batteries” 的论文发表在最新一期《ACS Nano》上。

文章亮点：

（1）得益于协同作用的组成，（CoS NP @ NHC）@MXene复合材料在锂离子电池（LIB），钠离子电池（SIB）和钾离子均具有出色的电化学性能。对于LIB，在1 A g-1电流密度下循环800次后容量为1145.9 mAh g-1，在5 A g-1电流密度下循环1000次后容量仍为574.1 mAh g-1。对于SIB，在2 A g-1电流密度下，进行650次循环容量为420 mAh g-1。对于PIB，在2 A g-1电流密度下，循环500次后容量为210 mAh g-1，均显示了出色的循环稳定性和高容量。

（2）理论计算表明，CoS对所有Li/Na/K离子具有稳定的化学吸附。在三种碱离子中，Li离子在CoS（001）表面的吸附最强，表明具有较强的离子表面吸附动力学。此外，这三种离子在CoS表面的扩散势垒均在4.3−4.5eV。扩散能垒大约是吸附能的两倍，这表明离子表面的扩散率较低。反应机理主要分为两步。首先是离子在CoS纳米颗粒表面吸附，然后CoS再与碱离子的转化反应。

（3）在高负载量下，（CoS NP @ NHC）@Mxene呈现出了很高的体积能量和功率密度，对于LIB(能量密度为2391 Wh L-1时功率密度为26 kW L-1)，对于NIB(能量密度为3706 Wh L-1时功率密度为24 kW L-1)，对于PIB(能量密度为777 Wh L-1时功率密度为24 kW L-1)。