鄭州大學(xué)：3D打印V2CTxrGO-CNT MXene氣凝膠,，用于高容量鈉金屬負(fù)極

來(lái)源：北京永康樂(lè)業(yè)

鈉金屬負(fù)極具有高理論容量,，低氧化還原電位,，鈉資源豐富并且價(jià)格低廉,，逐漸成為當(dāng)前能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),。然而,，由于在反復(fù)嵌入/嵌出過(guò)程中鈉枝晶的生長(zhǎng)導(dǎo)致的低庫(kù)倫效率及容量衰減等問(wèn)題限制了鈉金屬電池的實(shí)際應(yīng)用,。MXene作為新型的二維層狀材料，具有高導(dǎo)電性,，豐富的表面官能團(tuán),，良好的親水性等特點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注,。到目前為止,，MXene在鈉金屬負(fù)極的研究主要集中在Ti3C2(或Ti3C2Tx)及其衍生物上，其它MXene很少涉及,。因此有必要嘗試更多的MXene用于鈉金屬負(fù)極,，同時(shí)利用原位、非原位測(cè)試以及計(jì)算相結(jié)合的手段系統(tǒng)深入的研究鈉金屬在MXene上沉積的電化學(xué)行為,，提高鈉金屬負(fù)極電化學(xué)性能,。

近日，鄭州大學(xué)王燁教授,，徐俊敏副教授和新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)楊會(huì)穎教授合作采用3D打印技術(shù)制備了三維分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格氣凝膠作為鈉金屬負(fù)極電極,。采用原位TEM和原位光學(xué)顯微成像技術(shù)，非原位SEM表征及密度泛函理論模擬技術(shù)(DFT)研究了V2CTx MXene引導(dǎo)鈉沉積的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為機(jī)制。

圖1. 3D打印V2CTx/rGO-CNT微格氣凝膠電極制備示意圖,。

利用3D打印技術(shù)制備V2CTx MXene微網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鈉金屬負(fù)極,，具有以下特點(diǎn)：（1）3D打印V2CTx/rGO-CNT分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)骨架具有大比表面積，可以有效降低電流密度以及提供豐富的鈉金屬成核位點(diǎn),，抑制鈉枝晶。此外,，3D打印可以方便的制備人工可調(diào)厚度,，有效提高鈉金屬負(fù)極面容量。（2）3D打印的V2CTx/rGO-CNT相互連通的導(dǎo)電骨架提高電子導(dǎo)電能力,，分級(jí)有序人工多孔結(jié)構(gòu)有效加速離子傳輸速率,，提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。具有一定機(jī)械強(qiáng)度的3D打印骨架為整個(gè)電極提供了強(qiáng)有力的支撐,，保證在循環(huán)過(guò)程中電極的完整性,。（3）更加重要的是，V2CTx MXene具有豐富的官能團(tuán)（-O,，-F）,，通過(guò)DFT計(jì)算表明這些官能團(tuán)和Na有強(qiáng)的結(jié)合能，比如F-Na之間的結(jié)合能是-0.77 eV, O-Na的結(jié)合能是-1.02 eV,，而graphene-Na的結(jié)合能僅為-0.06 eV,。因此V2CTx MXene具有極高的親鈉性，可以有效引導(dǎo)鈉金屬均勻沉積,。（4）利用原位TEM測(cè)試表明鈉金屬在V2CTx /rGO-CNT的沉積是通過(guò)rGO傳輸,，以V2CTx MXene納米片為中心成核，不斷長(zhǎng)大并與周圍的鈉金屬不斷融合的過(guò)程,。通過(guò)原位光學(xué)和非原位SEM證明了3D打印V2CTx/rGO-CNT能夠有效抑制鈉枝晶,。

圖2. 3D V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格電極的結(jié)構(gòu)表征。

電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,，所制備的Na@V2CTx/rGO-CNT負(fù)極能夠在2 mA cm-2,，10 mAh cm-2下穩(wěn)定循環(huán)3000小時(shí)。并且能夠在5 mA cm-2, 50 mAh cm-2的大容量下穩(wěn)定循環(huán)900小時(shí)以上,。相關(guān)研究成果以“3D-Printed Sodiophilic V2CTx/rGO-CNT MXene Microgrid Aerogel for Stable Na Metal Anode with High Areal Capacity”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊ACS Nano上,。鄭大2020級(jí)碩士研究生王子璇為本文第一作者。鄭州大學(xué)王燁教授,，徐俊敏副教授和新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)楊會(huì)穎教授為共同通訊作者,。

圖3. V2CTx/rGO-CNT電極的電化學(xué)性能測(cè)試。

圖4. 非原位SEM測(cè)試和原位光學(xué)顯微成像研究鈉金屬負(fù)極在V2CTx/rGO-CNT電極上的沉積行為,。

圖5. 利用原位TEM分析鈉金屬在V2CTx/rGO-CNT電極上沉積過(guò)程中形貌演變過(guò)程,。利用DFT計(jì)算Na與C(石墨烯)、F(V2CF)和O(V2CO)的結(jié)合能。

通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的V2CTx/rGO-CNT微網(wǎng)格電極具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu),，其提供了較大的比表面積來(lái)降低電流密度,，在電鍍/剝離過(guò)程中保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。V2CTx MXene表面的官能團(tuán)具有良好的親鈉性,，能夠有效的引導(dǎo)鈉的均勻沉積和生長(zhǎng),。因此所制備的V2CTx/rGO-CNT作為鈉金屬負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。該工作不僅闡明了親鈉V2CTx/rGO-CNT微格氣凝膠電極上優(yōu)越的鈉沉積化學(xué),，而且為利用3D打印方法制備先進(jìn)的鈉金屬負(fù)極提供了一種新的途徑,。

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