多重范德華(vdW)間隙為通過(guò)插層途徑設(shè)計(jì)人工結(jié)構(gòu)和調(diào)控所需性能提供了豐富的機(jī)會(huì)，超越了傳統(tǒng)概念的范疇。有趣的是，電化學(xué)插層策略可以精確和可逆地調(diào)節(jié)帶電功能物種的插層程度。本研究提出了一種通過(guò)電化學(xué)插層促進(jìn)的有效結(jié)構(gòu)編輯方案來(lái)工程化MXene層間，最終通過(guò)原位構(gòu)建碳納米管(CNT)電橋來(lái)增強(qiáng)離子存儲(chǔ)和傳輸通道。該方法允許精確調(diào)控電化學(xué)力以定制材料用于特定應(yīng)用。深度插層和原位生長(zhǎng)過(guò)程在MXene和CNT之間建立了穩(wěn)固的錨定位點(diǎn)和連接樞紐，確保了先進(jìn)電極材料的結(jié)構(gòu)均一性和穩(wěn)定性。結(jié)果證明了電化學(xué)介導(dǎo)的MXene層間納米工程的有效性，為設(shè)計(jì)具有定制功能的vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了多功能方法，可用于能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換應(yīng)用。本工作突出了電化學(xué)調(diào)控在推進(jìn)下一代能源存儲(chǔ)技術(shù)材料工程策略中的潛力。
Fig 1. 通過(guò)電化學(xué)插層策略跨越 m-MXene 層的 CNT 電橋的示意圖制備過(guò)程和超級(jí)電容器的應(yīng)用。
Fig 2. 茂金屬插層 m-MXene 的表征和機(jī)理。（a） 茂金屬插層 m-MXene 在各種電位下的電化學(xué)路線的 XRD 圖譜。（b） 茂金屬插層 m-MXene 的 FT-IR 光譜。（c） [Co（Cp）
2]
+-m-MXene 通過(guò)施加 −1 V 的偏壓得到的 EDS 映射圖像。（d） Co（Cp）
2 和 [Co（Cp）
2]
+ 的插層過(guò)程和氧化還原轉(zhuǎn)化機(jī)制示意圖。（e） 雙電極器件的循環(huán)伏安法 （CV） 曲線，其中 m-MXene 顆粒作為工作電極，石墨棒作為對(duì)電極。使用的二茂鐵/二茂鐵偽參比顯示在面板 （e） 的底部插圖中。（f） 原位電化學(xué) XRD 圖譜和 （g） 常數(shù) −1 V 偏置下插層過(guò)程的等值線圖。（h） 通過(guò)施加 -1 V 的偏壓對(duì)插層產(chǎn)物的 Co 2p 截面的 X 射線光電子能譜 （XPS） 光譜。（i） 從 -1 到 -2 V 得出的原始 m-MXene 和茂金屬插層
m-MXene 的 Ti K 邊緣 X 射線吸收近邊緣結(jié)構(gòu)光譜 （XANES），以及 TiO 和 TiO
2 的光譜.（j） -1.0 V-Co 和 -2.0 V-Co 的小波變換擴(kuò)展 X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu) （EXAFS）。（k） 描述了具有鈷烯的 MXene 層的電荷轉(zhuǎn)移特性。在面板中，黃色和青色區(qū)域分別代表電子密度的增加和減少。
Fig 3. 茂金屬物種電化學(xué)插層過(guò)程的 MD 模擬。（a） 基于 MXene 的電化學(xué)插層構(gòu)型的 MD 模擬模型示意圖。（b） 電解質(zhì)組成的原子結(jié)構(gòu)示意圖。（c） -1 V 中性和外加偏壓下的原子結(jié)構(gòu)示意圖，右插圖顯示了位于 MXene 層之間的鈷烯分子的示意圖。（d） 電解質(zhì)
N電解質(zhì)的原子序數(shù)和 MXene 層之間的凈電荷隨電極上附加電荷的增加和減少而變化。
Fig 4. −1 V-CNTs-m-MXene 的表征。（a） −1 V-CNTs-m-MXene 的 SEM 圖像。（b） −1 V-CNTs-m-MXene 的 TEM 圖像與插圖 SAED 圖像。（c） m-MXene 和 （d） −1 V-CNTs-m-MXene 的 HR-TEM 圖像。（e） −1 V-CNTs-m-MXene 的區(qū)域電子能量損失譜 （EELS） 映射圖像。Ti：藍(lán)色，C：紅色，Co：黃色。（f） −1 V-CNTs-m-MXene 的 EELS 分析。HR-TEM 圖像 （g） 并進(jìn)一步放大了 −1 V-CNTs-m-MXene 之一。（h） 原子分辨率高角度環(huán)形暗場(chǎng) （HAADF） TEM 圖像和相應(yīng)的原子排列。（i，j）分別為 m-MXene 的 HRTEM 圖像和相應(yīng)的應(yīng)變圖。（k，l）分別為 CNTs-m-MXene 納米片的 HRTEM 圖像和相應(yīng)的應(yīng)變圖。（m） 來(lái)自不同偏壓的 CNTs-m-MXene 的拉曼光譜和 （n） XRD 圖譜。（o） −1 V-CNTs-m-MXene 的 C 1s 截面的 XPS 譜圖。
Fig 5. 來(lái)自各種偏壓的 CNTs-m-MXene 的電化學(xué)評(píng)估。（a） 掃描速率為 20 mV s
–1 時(shí)的 CV 曲線。（b） 不同掃描速率下−1 V-CNTs-m-MXene的CV曲線。（c） 制備的 m-MXene-700 和 CNTs-m-MXene 的奈奎斯特圖。（d） 測(cè)定 m-MXene-700 和 CNTs-m-MXene 從 1 到 20 mV/s 的陽(yáng)極峰值（放電）電流 （
p） 對(duì)數(shù)與掃描速率 （ν） 對(duì)數(shù)的斜率
b 值。（e） CNTs-m-MXene 異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。（f） 不同掃描速率下表面和擴(kuò)散控制過(guò)程對(duì) CNTs-m-MXene 的貢獻(xiàn)。（g） CNTs-m-MXene 在 −1.8 和 1.0 V 之間的原位 Ti K-edge XANES 光譜，包括充放電過(guò)程中的五個(gè)電位點(diǎn)。（h） 全勢(shì)掃描期間 Ti 邊緣能量（從歸一化 XANES 光譜的一階導(dǎo)數(shù)獲得）與電位的變化。（i） 相應(yīng)的傅里葉變換 Ti K 邊緣 EXAFS 光譜。（j） 原始 CNTs-m-MXene 電極在充放電過(guò)程中和五個(gè)電位點(diǎn)下的小波變換 EXAFS。
相關(guān)研究工作由中科院寧波材料所Kun Liang和溫州大學(xué)Yao Xiao課題組于2024年聯(lián)合在線發(fā)表在《ACS NANO》期刊上，F(xiàn)acilitating Ion Storage and Transport Pathways by In Situ Constructing 1D Carbon Nanotube Electric Bridges between 2D MXene Interlayers，原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09475
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
