李丽副教授，CEJ：面向高倍率可充电水系锌离子电池的 VO2@V2C MXene 异质结构的构建- 大数跨境

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李丽副教授，CEJ：面向高倍率可充电水系锌离子电池的 VO2@V2C MXene 异质结构的构建

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2024-10-30

导读：李丽副教授，CEJ：面向高倍率可充电水系锌离子电池的 VO2@V2C MXene 异质结构的构建

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文章信息

面向高倍率可充电水系锌离子电池的 VO₂@V₂C MXene 异质结构的构建

第一作者：王硕

通讯作者：李丽*

单位：济南大学

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研究背景

锌离子电池价格低廉、储量丰富、氧化还原电位低且理论比容量高，是当今多价金属离子电池的研究热点。其中，在大规模储能方面，水性锌离子电池比碱性锌电池更受关注。然而，锌阳极具有不稳定性，不均匀的锌沉积会在充放电过程中形成“锌枝晶”从而在水溶液中生长，导致不可逆的充放电循环使电池容量下降。本文提出了一种以 V₂C MXene 为前驱体，表面部分氧化为 VO₂纳米棒的一步水热法合成VO₂@V₂C 异质结构。通过密度泛函理论计算证明了VO₂@V₂C 具有优异的锌离子吸附能力和出色的导电性。本文为水系锌离子电池阴极电极选择的研究提供了新的思路。

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文章简介

近日，来自济南大学的李丽副教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Construction of VO₂@V₂C MXene heterostructure toward superior-rate rechargeable aqueous zinc batteries”的研究文章。该文章通过简单的一步水热法制备了一种VO₂@V₂C 异质结构作为锌离子电池的阴极材料，通过对其进行密度泛函理论计算、接触角测试、阻抗测试和不同电流密度下充放电测试等，证明其优异的电化学性能。

图1. VO₂@V₂C 的制备过程示意图。

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本文要点

要点一：VO₂@V₂C MXene 异质结构表征

根据测试表征结果，能够清晰的看到V₂C MXene的层状结构得到了保存，并且在其表面均匀得生长了VO₂纳米棒。异质结构交界处能看到晶格畸变，说明VO₂@V₂C MXene异质结构成功构建。

图 2.（a） VO₂@V₂C 的 XRD 图谱。（b） V₂C 和（c） VO₂@V₂C 的 SEM 图像。（d） V₂C 和（e） VO₂@V₂C 的 HRTEM 图像。VO₂@V₂C 异质结构的（f）边缘HRTEM 和（g）元素映射图像。

要点二：良好亲水性的证明

为了证明VO₂@V₂C 异质结构拥有更好的亲水性能，我们做了接触角测试后并对XPS进行了研究分析，丰富的 VOx 键具有高度极性，能够与水分子形成氢键，图中异质结构中 C-V-OH 的增加证明了这一点。相比之下，碳化钒的结构以 C-V 键为主，更稳定的共价键使其难以与水分子相互作用。

图 3. VO₂@V₂C 的（a） XPS 总光谱和（b）C 1s光谱。VO₂@V₂C 和 V₂C 的（c） O 1s 和（d）V 2p 光谱。

要点三：密度泛函理论计算证明VO₂@V₂C 异质结构优异的吸附性

从最终结果来看，VO₂@V₂C 异质结构的能带隙比 V₂C 和 VO₂都窄，并且在费米能级存在很大一部分局域 DOS，证明 VO₂@V₂C 异质结构允许多种快速界面动力学。与V₂C （-0.51 eV）和VO₂（-0.39 eV）相比，VO₂@V₂C （-4.21 eV）异质结构对Zn²⁺的吸附吉布斯自由能最小，意味着Zn²⁺更容易被吸附在异质结构的表面。

图 4. V₂C 、VO₂和 VO₂@V₂C 异质结构的（a-c）带隙结构计算和（d-f）状态密度（DOS）的计算。（g） Zn-V₂C 、Zn-VO₂和 Zn-VO₂@V₂C 的吸附能。

要点四：VO₂@V₂C 异质结构出色电化学性能表现

从一系列与V₂C 比较的电化学性能测试中可以看出，VO₂@V₂C 异质结构拥有更低的电阻，更高的锌离子扩散常数和更稳定且高容量的充放电比容量。这些比较进一步验证了 VO₂@V₂C 良好的性能稳定性和可逆性。

图 5.（a） Zn//VO₂@V₂C 电池配置示意图。（b） VO₂@V₂C 在 0.2 mV s^-1 时的前三圈CV循环。（c） EIS 和等效电路模型，（d） VO₂@V₂C 和 V₂C 的低频区域中 Z' 和 ω−1/2 之间的关系。（e） VO₂@V₂C 在不同电流密度下的恒电流充电/放电曲线。（f） VO₂@V₂C 和 V₂C 的速率性能。（g）本研究中电极的倍增能力与其他基于 V₂C 的电极的比较。（h） VO₂@V₂C 和 V₂C 电极在 1 A g^-1下的循环性能。

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文章链接

Construction of VO₂@V₂C MXene heterostructure toward superior-rate rechargeable aqueous zinc batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157048

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通讯作者简介

李丽副教授简介：济南大学材料科学与工程学院副教授，南开大学工学博士，硕士生导师。主要研究方向微/纳材料的结构设计、可控制备及其在锌离子电池、电催化等领域的应用。主持国家自然科学基金青年基金1项、山东省自然科学基金面上项目1项和山东省博士基金1项。迄今，以第一/通讯作者身份已在Informat，Chemical Engineering Journal，Small，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces等国际刊物上发表SCI学术论文40余篇，授权发明专利7项。