科学材料站
文 章 信 息
富含亲锌位点的碳化ZIF-8/MXene异质结构实现了锌负极的快速反应动力学和界面稳定性
通讯作者：朱孟琪，章锦丹，钟锦岩
单位：福建师范大学，北京航空航天大学
科学材料站
研 究 背 景
对便携式设备和电子设备的迅速增长的需求，催生了对安全且低成本的能量存储与转换系统的需求。与锂离子电池存在的高成本和元素稀缺等缺点相比，水性锌离子电池（AZIBs）因其固有的安全性以及高达 820 mAh/g的理论比容量而成为最具前景的电池之一。然而，锌负极存在的问题，如不可控的枝晶生长、析氢副反应以及腐蚀，导致了锌离子电池的库仑效率降低、容量衰减以及使用寿命缩短，严重限制了其实际应用。然而，锌负极存在的问题，如不可控的枝晶生长、析氢副反应以及腐蚀，导致了锌离子电池的库仑效率降低、容量衰减以及使用寿命缩短，严重限制了其实际应用。为解决锌负极存在的上述问题，近年来在锌负极表面构筑人工界面层因其显著的效果和设计的多样性而受到越来越多的关注。多种多样的材料都被用来构建人工界面层，如碳材料、聚合物、MXene和有机框架材料等。作为一种典型的导电材料，碳材料能够降低锌负极的界面电流密度、使电场分布均匀化并促进界面反应，因此在锌负极的表面保护层中得到了广泛应用。然而，大多数碳材料缺乏活性位点和表面官能团，这导致其与锌离子的相互作用较弱，不足以调节均匀的锌沉积。尽管可以通过元素掺杂和活化等方法增加碳材料的活性功能团位点，但形成的这些位点不仅在数量和均匀分布方面存在缺陷，而且可能还会破坏碳材料的结构稳定性。因此，有必要且迫切需要开发一种具有丰富且均匀分布活性位点的亲锌导电碳界面层。
科学材料站
文 章 简 介
近日，来自福建师范大学的朱孟琪副教授、章锦丹副教授与北京航空航天大学钟锦岩副教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Zincophilic sites-enriched carbonized ZIF-8/MXene heterostructure enables rapid reaction kinetics and interface stability towards ultra-high rate Zn anodes”的文章。该文章开发了亲锌导电碳化ZIF-8 和MXene 异质结构（cZIF@MXene）作为锌负极上的多功能界面层（cZIF@MXene-Zn）。在 cZIF@MXene 中，不仅含氮官能团丰富，能与锌离子产生强烈相互作用，而且具有大表面积的导电基质提供了反应界面，从而加速了反应动力学，引导锌均匀沉积。同时，cZIF@MXene 具有众多离子扩散路径，有助于锌离子均匀分布。此外，二维（2D）cZIF@MXene 异质结构保持了界面结构的结构稳定性。
图 1. cZIF@MXene 的制备过程示意图及分子结构图。
科学材料站
本 文 要 点
要点一：
利用MXene表面原位生长有序ZIF-8纳米颗粒，经由碳化得到具有丰富亲锌位点的导电二维cZIF@MXene异质结构。cZIF@MXene上的吡咯氮和吡啶氮功能基团对锌离子的高吸附能能够增强其与锌离子的相互作用，抑制了锌离子的溶剂化，促进锌的均匀沉积。
要点二：
cZIF@MXene 提供大量的离子传输通道来促进锌离子扩散，缓解了负极界面锌离子分布的不均匀性。
要点三：
异质结构之间的空隙缓解了锌电极的体积变化，同时二维MXene的机械柔韧性保持了界面层的结构稳定。
图 2.（a）cZIF@MXene 的制备过程示意图及分子结构图。 （b）扫描电子显微镜图像，（c）元素分布情况，以及（d）cZIF@MXene 的氮吸附-脱附曲线和孔径分布。 （e）MXene、ZIF-8@MXene 和 cZIF@MXene 的 X 射线衍射谱。 （f）cZIF@MXene 的 N 1s XPS 光谱。 （g）cZIF@MXene-Zn 的扫描电子显微镜图像。
图 3.（a）优化的结构以及含氮功能基团与锌离子之间的计算吸附能。 （b）cZIF@MXene-Zn 与裸锌之间的锌离子转移数。 （c）cZIF@MXene-Zn 与裸锌的 EIS 谱图以及锌离子导电性。 （d）cZIF@MXene-Zn 与裸锌界面反应的活化能。 （e）cZIF@MXene-Zn 与裸锌基对称电池的 CV 曲线。 （f）cZIF@MXene-Zn 与裸锌负极的润湿自由能。 （g）cZIF@MXene-Zn 与（h）裸锌负极在沉积过程 500 秒后的模拟锌离子分布情况，而带有箭头的线条代表锌离子通量。
图 4.（a）锌在 cZIF@MXene-Zn 和裸锌负极上的沉积示意图。 （b）塔菲尔曲线，（c）循环伏安曲线，（d）成核过电位，以及（e）cZIF@MXene-Zn 和裸锌负极的电流-时间曲线。 （f，g）锌沉积量为 1 mAh cm-2 后的 cZIF@MXene-Zn 和（h）裸锌负极的扫描电子显微镜图像。 （i）锌在 cZIF@MXene-Cu 和裸铜基底上沉积的库仑效率。 （j）锌沉积后 cZIF@MXene 的 N 1s XPS 光谱。
图 5. （a）cZIF@MXene-Zn 与裸锌电极在 5 mA cm-2和 1 mAh cm-2条件下进行的恒电流充放电测试。 （b）cZIF@MXene-Zn 与裸锌电极在 1 mA cm-2和 0.25 mAh cm-2条件下进行的恒电流充放电测试。 （c）cZIF@MXene-Zn 与裸锌电极在 10 mA cm-2和 1 mAh cm-2条件下进行的恒电流充放电测试。 （d）cZIF@MXene-Zn 与裸锌电极的倍率性能。 （e）cZIF@MXene-Zn 与裸锌电极的电压滞回-电流密度曲线。 （f）cZIF@MXene-Zn 与裸锌电极在充放电循环前后的 EIS 谱图。 （g）50 次循环后的 cZIF@MXene-Zn 的扫描电子显微镜图像。
图 6.（a）cZIF@MXene-Zn||NVO 电池与Zn||NVO 电池的电压-电流曲线。（b）cZIF@MXene-Zn||NVO 电池与Zn||NVO 电池在充放电循环前后的 EIS 谱图。（c）cZIF@MXene-Zn||NVO 电池与Zn||NVO 电池的速率性能。（d）cZIF@MXene-Zn||NVO电池在不同电流下的充放电曲线。（e）cZIF@MXene-Zn||NVO 电池与裸 Zn||NVO 电池在不同电流下的极化电压。（f）cZIF@MXene-Zn||NVO 电池在静置 24 小时后的放电-充电曲线。（g）cZIF@MXene-Zn||NVO 电池与 Zn||NVO 电池在 1 A g-1 电流下的长期循环性能。（h）cZIF@MXene-Zn||NVO 电池在 4 A g-1 电流下的长期循环性能。
科学材料站
文 章 链 接
Zincophilic sites-enriched carbonized ZIF-8/MXene heterostructure enables rapid reaction kinetics and interface stability towards ultra-high rate Zn anodes
科学材料站
通 讯 作 者 简 介
朱孟琪副教授，福建师范大学化学与材料学院。福建省高层次人才、“宝琛计划”青年英才。从事新能源材料和界面电化学方面研究，主持了国家自然科学基金、福建省自然科学基金、福建省教育教学研究项目等多项课题研究，科研成果已在Science Advances，Advanced Energy Materials，Nano Letters，Nano Energy等国内外期刊发表40余篇论文。担任知名期刊eScience，Journal of Electrochemistry青年编委，获eScience Young Scientists Award。
章锦丹副教授，福建师范大学化学与材料学院。福建省高层次人才、福建师范大学青年英才。长期从事能源材料和器件相关研究，主持了国家自然科学基金、福建省自然科学基金、福建省中青年教师基金等多项课题研究，科研成果已在Angewandte Chemie-International Edition，Nano Letters, Nano Energy，Energy & Environmental Materials等国内外期刊发表30余篇论文，已授权专利4项。
钟锦岩副教授，北京航空航天大学材料科学与工程学院。长期从事电化学相关研究，主持国家自然科学基金2项及多个省部级项目，获得省部级科技进步奖3项，参与编制国家标准2部，行业标准3部。科研成果已在Nano-Micro letters，Journal of Energy Chemistry等期刊发表论文20余篇，授权专利5项。
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看