編輯建議：本文提出了導(dǎo)電的2D納米材料V2C MXene (V2CTx)，提供了優(yōu)良的倍率速度和能量密度高的鋅離子電池(ZIBs)。

活化的V2CTx具有顯著的能量和功率密度(318 Wh·kg-1 kW kg-1)。這項(xiàng)工作為先進(jìn)的自組裝電池的高性能陰極材料的設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵的策略。

與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，水基鋅離子電池(ZIB)在成本、運(yùn)行安全性和環(huán)境友好性方面都有所提高，被認(rèn)為是一種很有前途的儲(chǔ)能技術(shù)。然而，ZIB的普及受到其相對(duì)較低的能量密度的阻礙。即使使用優(yōu)化的電解質(zhì)，大多數(shù)zib的工作電壓也限制在2.0伏左右，遠(yuǎn)低于有機(jī)鋰離子電池(> 3.0伏)。具有超高電導(dǎo)率和豐富表面化學(xué)的V2C MXene的出現(xiàn)為構(gòu)建這種高性能ZIBs提供了巨大的機(jī)遇。然而，迄今為止，很少有關(guān)于使用V2CTx作為ZIBs陰極的報(bào)道，因?yàn)閂2CTx表現(xiàn)出不合理的低放電容量。

深圳大學(xué)的黃楊博士、Wang Zhang博士和伍倫貢大學(xué)的Shulei Chou教授等人，提出了一種通過在一定電位下初始充電來原位電化學(xué)活化V2CTx陰極的策略。相關(guān)論文以題為“In‐Situ Electrochemically Activated Surface Vanadium Valence in V2C MXene to Achieve High Capacity and Superior Rate Performance for Zn-Ion Batteries”發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

論文鏈接

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面釩原子經(jīng)歷電化學(xué)氧化，并在初始充電過程中轉(zhuǎn)化為VOx，導(dǎo)致釩價(jià)從V2+/V3+顯著上升到V4+/V5+。同時(shí)，通過精確控制充電電壓和保持時(shí)間，可以很好地保持內(nèi)部導(dǎo)電的V-C-V多層結(jié)構(gòu)。鑒于設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，活化的V2CTx也實(shí)現(xiàn)了出色的長期循環(huán)性能，在2000次循環(huán)后顯示出283.7mAh·g-1的放電容量。這項(xiàng)工作為合理設(shè)計(jì)高能量和高功率密度的電極材料開辟了一條有效途徑。

V2CTx是MXene家族的典型成員，具有高活性，來源于其亞穩(wěn)態(tài)表面，當(dāng)暴露于水或空氣中時(shí)，會(huì)逐漸氧化，這導(dǎo)致最外層的V原子的化合價(jià)發(fā)生變化。這啟發(fā)研究人員通過原位調(diào)節(jié)表面釩價(jià)來釋放V2CTx儲(chǔ)存鋅離子的潛力，使多電子氧化還原反應(yīng)成為現(xiàn)實(shí)。如圖1a所示，手風(fēng)琴狀的V2CTx是通過在氫氟酸中從V2AlC前體選擇性蝕刻鋁原子而制備的。如圖1b–e所示，除了過度氧化的2.0-V2CTx外，所有活化陰極都繼承了V2CTx的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)。有趣的是，隨著活化電壓的增加，由于外表面涂層的快速生長，原始V2CTx的銳邊和光滑表面變得越來越模糊和粗糙。

圖1 不同活化電壓下V2CTx陰極的示意圖、形貌和結(jié)構(gòu)演變過程。a)顯示V2CTx陰極的化合價(jià)調(diào)節(jié)的示意圖。b–e)原始V2CTx、1.4-V2CTx、1.8-V2CTx和2.0-V2CTx的掃描電鏡圖像。f)透射電子顯微鏡圖像，g) HRTEM圖像。的EDX元素圖。I)原始V2CTx、1.4-V2CTx、1.8-V2CTx和2.0-V2CTx的XRD圖案。

V2CTx陰極的氧化會(huì)同時(shí)誘發(fā)V在充電活化過程中的價(jià)態(tài)變化，這一點(diǎn)用X射線光電子能譜(XPS)進(jìn)行了詳細(xì)研究，如圖2所示。

圖2 不同活化電壓下V2CTx陰極的化學(xué)狀態(tài)和電子結(jié)構(gòu)。a–c)原始V2CTx、1.4-V2CTx和1.8-V2CTx的釩XPS光譜。蝕刻深度為50、100和200納米的1.8-V2CTx的XPS光譜。原始V2CTx、1.4-V2CTx和1.8-V2CTx的擴(kuò)展X射線吸收近邊緣結(jié)構(gòu)(XANES)光譜和傅里葉變換的V-K邊緣EXAFS光譜。I)原始V2CTx和1.8-V2CTx的小波變換。

圖3 不同活化電壓下V2CTx陰極儲(chǔ)存鋅離子的電化學(xué)性能。A)原始V2CTx、1.4-V2CTx、1.8-V2CTx和2.0-V2CTx在1Ag-1時(shí)的放電曲線。b)不同電流密度下1.8-V2CTx的充放電曲線。1.8-V2CTx的額定性能。d與其他報(bào)道的陰極的倍率性能比較。e與其他報(bào)道的ZIBs陰極材料的Ragone圖比較。f)原始V2CTx、1.4-V2CTx、1.8-V2CTx和2.0-V2CTx的電化學(xué)阻抗譜(EIS)光譜，插圖是放大的光譜。g在30 A·g-1下的循環(huán)性能。

圖4 密度泛函理論計(jì)算結(jié)果、動(dòng)力學(xué)分析和V2CTx陰極的表征。a，b) Zn2+吸附能、電荷密度差和V2CTx、V2CO2、VOx/V2CTx和V2O5的計(jì)算態(tài)密度。(v:橙色；c:灰綠色；h:紅色；f:灰色；o:紫色；Zn:粉紅；c)不同掃描速率下1.8-V2CTx的CV曲線。d)基于特定峰值電流下CV曲線的對(duì)數(shù)I與對(duì)數(shù)v圖。e)不同掃描速率下電容和擴(kuò)散控制性能的貢獻(xiàn)率。f的GITT輪廓和充/放電期間相應(yīng)的鋅離子擴(kuò)散系數(shù)。g)在充電和放電狀態(tài)下1.8-V2CTx的異位XRD圖案。

總的來說，研究人員通過原位電化學(xué)活化調(diào)節(jié)V2CTx表面釩的價(jià)態(tài)，成功實(shí)現(xiàn)了高容量、高倍率的鋅離子儲(chǔ)存性能。該研究將促進(jìn)具有適當(dāng)表面改造的MXene陰極的發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)它們在高性能ZIBs中應(yīng)用的潛力。（文：8 Mile）

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