香港理工大学徐宾刚教授EnSM：N/Se掺杂MXene/ZnSe层级多功能界面稳定锌金属负极- 大数跨境

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香港理工大学徐宾刚教授EnSM：N/Se掺杂MXene/ZnSe层级多功能界面稳定锌金属负极

科学材料站

2022-04-03

导读：本文采用一步真空热处理法在锌箔表面上原位生成N/Se掺杂MXene复合ZnSe的层级界面层去稳定锌负极。

文章信息

N/Se掺杂MXene@ZnSe层级多功能界面稳定锌金属负极

第一作者：田园

通讯作者：徐宾刚*

单位：香港理工大学

研究背景

水系锌离子电池因高安全性、低成本、常温常压下可组装等优点被认为是最有前途的储能体系之一。锌金属负极具备高比容量、低氧化还原电位、储量丰富等优势被视为水系锌离子电池最理想的负极选择，然而，锌金属负极在循环过程中枝晶生长和副反应等问题会导致差的电化学性能，甚至刺穿隔膜导致电池短路失效等问题，限制了其实际应用。

文章简介

基于此，香港理工大学徐宾刚教授团队近日在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Robust Nitrogen/Selenium Engineered MXene/ZnSe Hierarchical Multifunctional Interfaces for Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries”的研究文章。

本文采用一步真空热处理法在锌箔表面上原位生成N/Se掺杂MXene复合ZnSe的层级界面层去稳定锌负极。N/Se掺杂MXene框架和亲锌ZnSe可以发挥协同作用，有效均匀电场分布，促进离子扩散，降低局部电流密度，抑制副反应和诱导均匀的锌沉积。并设计了柔性自支撑氮掺杂MXene@MnO₂作为正极组装全电池，实现了显著改善的电化学性能。

图1 一步真空热处理法合成N/Se-MXene@ZnSe@Zn电极的示意图，以及相应的结构、形貌和浸润性表征。

图2 不同温度下制备的N/Se-MXene@ZnSe界面层的透射电镜图。

图3 空白锌、N/Se-MXene@ZnSe@Zn-300和N/Se-MXene@ZnSe@Zn-350锌组装的对称电池的电化学性能对比和循环后SEM的对比。

图4 （a）自支撑氮掺杂MXene@MnO₂正极的合成示意图以及（b-m）形貌和结构表征。

图5 以自支撑氮掺杂MXene@MnO₂为正极，以空白锌、N/Se-MXene@ZnSe@Zn-300和N/Se-MXene@ZnSe@Zn-350锌负极分别组装的Zn||MnO₂全电池的电化学性能表征及对比。

本文要点

1．采用真空热处理法在锌箔上原位构建了氮/硒掺杂的MXene与亲锌ZnSe的N/Se-MXene@ZnSe的层级界面保护层。调控合成条件可有效调控界面层的微观结构，进而影响锌沉积行为和电化学性能。

2. 氮/硒掺杂的MXene框架可以均匀化电场分布、降低局部电流密度、缓冲体积变化；亲锌ZnSe纳米颗粒可以有效抑制副反应、促进锌离子的均匀分布、加速锌离子的转移。

3. 金属锌在N/Se-MXene@ZnSe@Zn-350负极上实现稳定且无枝晶的锌沉积，该负极实现了显著改善的电化学性能。

4. 以自支撑氮掺杂MXene@MnO₂作为正极，N/Se-MXene@ZnSe@Zn-350作为负极，获得了高倍率的Zn||MnO₂全电池。

文章链接

Robust Nitrogen/Selenium Engineered MXene/ZnSe Hierarchical Multifunctional Interfaces for Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries, Yuan Tian,a Yongling An,b Yujue Yang,a Bingang Xu.a,* Energy Storage Materials, 2022.

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.03.045

通讯作者简介

Bingang Xu（徐宾刚） Full Professor

Bingang Xu（徐宾刚） is a full professor in Institute of Textiles and Clothing at Hong Kong Polytechnic University. He serves now as the Discipline Leader of Fashion and Textile Technology in the department. Prof. Xu has published over 200 book chapters, journal and conference papers, and also holds 12 granted patents. His research interests include smart and sustainable wearables, energy conversion and storage, computer vision and artificial intelligence. Prof. Xu's recent work on sustainable and energy materials and computer vision model has been published in high-impact SCI journals such as Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Applied Catalysis B-Environmental, Nano Energy, Energy Storage Materials and IEEE Transactions on Cybernetics.

第一作者介绍

田园博士后

香港理工大学博士后，2021年毕业于山东大学，主要围绕高能量密度电极和MXene基材料研究改善锌离子电池/锌金属电池/钾离子电池/锂离子电池性能的机理、方法和新材料，近期最新成果发表在Materials Today, Advanced Energy Materials (封面), Energy Storage Materials (2), Nano Energy, ACS Nano, Chemical Engineering Journal, Chemistry of Materials（封面）, Journal of Material Chemistry A.等国际知名杂志上，其中ESI论文3篇，获授权国家发明专利6项。

相关链接如下：

1. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.021

2. https://doi.org/10.1002/aenm.202002529

3. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.06.019

4. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05599

5. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105344

6. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126836

7. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c00787