安徽大学岳阳副教授、王思亮副教授和温莉博士，ENSM研究：超稳定、低迂曲度、快速离子纳米通道的MXene 电极- 大数跨境

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安徽大学岳阳副教授、王思亮副教授和温莉博士，ENSM研究：超稳定、低迂曲度、快速离子纳米通道的MXene 电极

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2024-10-23

导读：安徽大学岳阳副教授、王思亮副教授和温莉博士，ENSM研究：超稳定、低迂曲度、快速离子纳米通道的MXene 电极

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文章信息

超稳定、低迂曲度、快速离子纳米通道的MXene 电极

第一作者：张宇航

通讯作者：岳阳*，王思亮*，温莉*

单位：安徽大学

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研究背景

MXenes 是新兴的二维（2D）材料家族，具有优异的物理化学特性，在可穿戴电子设备中扮演着不可或缺的角色。然而，由于 MXene 纳米片的自堆叠现象和随机密集排列而产生的高迂回离子传输路径，会严重阻碍电解质的渗透，拉长电荷传输距离，导致电荷传输动力学变慢，从而降低了电化学性能。此外，仅靠 MXene 纳米片之间的范德华力相互作用维持的离子通道结构稳定性较弱，导致电极脆性大，对极端环境的适应性较差。研究者通常引入介孔结构或减小 MXene 的横向尺寸来提供额外的离子传输路径，从而有效降低迂回度，但这往往会破坏 MXene 的结构并产生微小缺陷，从而使构建的离子通道更加不稳定。因此，开发具有超稳定快速离子纳米通道的电极是一项紧迫而重大的挑战。

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文章简介

近日，来自安徽大学的岳阳副教授、王思亮副教授与温莉博士，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Hyperstable Low-tortuosity Fast Ion Nanochannels for MXene Electrodes”的文章。该文章提出了一种氢键束缚的孔状MXene（HC-HMXene）电极，具有最大离子可及性、最优离子传输路径和超稳定离子纳米通道。具体是在 HMXene 薄膜中引入面内介孔、减小横向尺寸和增大层间间距的三种作用显著提高了电解质渗透效率，缩短了电极的离子传输路径。此外，通过在MXene层间引入氢键连接纳米片，显著提高离子通道的稳定性，使得HC-HMXene 薄膜能有效防止膨胀行为，并在水介质中保持良好的结构稳定性。此外，HC-HMXene基的锌离子微电容器驱动的柔性传感集成系统在实时监测人体生理特征方面也具有广阔的应用前景。

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本文要点

要点一：HC-HMXene优势以及计算

HC-HMXene相比于原始MXene展现出了最大离子可及性、最优离子传输路径和超稳定离子纳米通道的优势。此外，通过DFT和COMSOL模拟了锌离子传输的势垒、离子传输路径的通量以及氢键的相互作用的过程并结合材料的表征，证实了HC-HMXene 是电极材料的绝佳选择。

图 1. a HC-HMXene 膜相对于 MXene 膜的具体优势示意图。b MXene 和 ANF 之间氢键形成的原子结构和差电荷示意图。c浸泡过程中 MXene 和 HC-HMXene 的微观作用力示意图。d MXene 和e HMXene上不同位点的差电荷图。f不同位点的Zn²⁺ 吸附能汇总。g使用 COMSOL 软件模拟原始 MXene 和 HMXene 中的离子传输通量。

图 2. a制备 HC-HMXene 复合薄膜和组装 ZIMC 的过程示意图。b MAX 和 MXene 的 HAADF-STEM 图像。c MXene 和d HMXene 的SEM 图像。f MXene 和g HMXene 的 TEM 图像；插图显示了 SAED 图样。h孔状纳米片的高倍 HAADF-STEM 图像，橙色箭头标记了空位。i HMXene 纳米片的 HAADF-STEM 图像和 EDS 图。

要点二：HC-MXene电极的超稳定性机理

通过XRD与FTIR证实了氢键的形成，并进一步阐述了电极的超稳定性主要取决于纳米片之间的静电排斥力和范德华吸引力之间的竞争关系的机理。最后通过水介质膨胀实验更为直观的展示了电极的超稳定性

图 3. a-h 不同 MXene薄膜的光学图像、丁达尔效应和截面 SEM 图像。i MXene 和 HC-HMXene 的氮吸附-解吸等温线和j 孔径分布。k 不同 MXene 薄膜和 MAX 的 XRD图。l ANF 和不同 HMXene 薄膜的傅立叶变换红外光谱。m 范德华吸引力和静电排斥力的总作用力随层间距离变化的示意图。n 根据 XRD 图样获得的 MXene 和 HC-HMXene 膜在水溶液中离子纳米通道的稳定性比较。o MXene 和 HC-HMXene 薄膜浸泡前后稳定性的数字图像。

要点三：HC-MXene的电化学性能以及最大离子可及性

通过实验发现基于 HC-HMXene 的 ZIMC展现出了优异的电化学性能。进一步对HC-MXene的扩散系数和迂曲度进行计算，从理论上更清晰地证明了其具有最佳的离子传输途径和最大的活性位点的机理。

图4. a 不同 MXene 基薄膜的拉伸应力-应变曲线、b 拉伸强度和c 韧性。d ZIMC 在充电过程中的工作机制以及放电过程中Zn²⁺插入的 iDPC 和 HADDF 图。e 不同 MXene 基 ZIMC 的 CV 和f GCD 曲线。g-h HC-HMXene 和基于 MXene 的 ZIMC 的EIS图以及相应扩散系数的计算。i 迂曲度计算示意图。j 该工作与文献中报道的其他工作相比较。

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文章链接

Hyperstable Low-tortuosity Fast Ion Nanochannels for MXene Electrodes

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103829

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通讯作者简介

岳阳，博士，副教授，博士生导师，安徽省青年拔尖人才。目前任职于安徽大学物质科学与信息技术研究院。目前以第一作者/（共）通讯作者发表中科院一区论文 26篇，Adv. Energy Mater. 2篇，ACS Nano 5篇，Adv. Func. Mater. 3篇，Energy Storage Mater. 3篇，Nano energy 3篇，Sci. Bull. 1篇，Research 2篇，Nano-Micro Lett. 1篇，Chem. Eng. J. 6篇。目前主持在研国家自然科学基金2项, 其中青年项目和面上项目各1项。

王思亮，博士，副教授，博士生导师，就职于安徽大学集成电路先进材料与技术产教研融合研究院。从事新型电子材料、微系统集成、微型储能器件、MEMS传感器等方面研究。在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Energy等高水平期刊上发表30余篇论文。主持国家、省部级及企业委托横向项目9项。

温莉，博士，就职于安徽大学集成电路学院。目前，以第一作者/通讯作者在ACS Nano，Nano energy，Small，J. Mater. Sci. Technol.，Energy Storage Mater.， Chem. Eng. J.等期刊发表论文多篇。

张宇航，安徽大学硕士研究生，主要研究方向是可穿戴储能设备和柔性压力传感器。