支春义教授/黄庆研究员课题组AEM：垂直排列的Sn4+预插层Ti2CTX-MXene微球增强锌离子的传输能力助力超长循环寿命

通讯作者：支春义*，黄庆*

单位：香港城市大学；中科院宁波材料所

二维MXenes材料在储能系统中得到了广泛的探究，但是由纳米片自发堆叠引起的离子表面扩散势垒以及层间距不足导致扩散动力学受限是当下两个悬而未决的难题。

近日，香港城市大学支春义教授、中国科学院宁波材料技术与工程研究所黄庆研究员课题组在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Vertically Aligned Sn4+ Preintercalated Ti2CTX MXene Sphere with Enhanced Zn Ion Transportation and Superior Cycle Lifespan”的研究工作。

本文以碳球为模板，结合Sn4+预插层等工艺合成了片层垂直分布的MXene阵列微球Ti2CTX片层的垂直排列直接缩短了离子扩散路径，预嵌入的Sn4+离子增大了片层间距进而增强了反应动力学。因此，在水系锌离子体系中，该电极可稳定循环12500次（2800小时的循环时间，容量波动仅为5%。在0.1 A g-1电流密度下，放电容量高达138 mAh g-1，即使电流密度升高到5 A g-1，仍有92 mAh g-1得以保留。

此外，电容器自放电率低至0.989 mV h‐1，其经历548h静置后仍有80.5%的容量得以保留。基于水凝胶基电解质制备的准固态电容器表现出优异的机械变形和耐候性能。

该文章共同作者为李新亮和李勉。

支春义教授和黄庆研究员为本文共同通讯作者。

综上所述，自发堆积引起的表面势垒和局限的层间间隙是MXens储能中存在的两个主要问题。作者制备了Sn4+预插层的Ti2CTX MXene垂直微球。至此，表面势垒得以消除，层间距得以扩大，锌离子扩散路径明显缩短，反应动力学增强，Zn/MXene电容器实现了12500次循环的超长循环寿命和不超过5%的低容量波动。

此外，低至0.989 mV h−1的电压衰减率和0.035% h−1的容量衰减率表明制备的电容器具有优越的自放电性能。另外，基于水凝胶电解质制备的准固态电容器可在各种恶劣条件下安全工作。这项工作为锌离子储存提供了一种优异的电极材料。更重要的是，相信本工作所提出的离子传输增强策略可广泛应用于其他MXene和其他基于2D材料的储能系统。

导师简介:

支春义 教授

支春义，2004年于中科院物理所取得博士学位，随后到日本物质材料研究机构工作，从事氮化硼纳米材料相关研究，历任博士后研究员、研究员（faculty）以及主任研究员（永久职位）。目前在香港城市大学材料科学与工程系任教授。研究方向为可穿戴柔性电存储器件，包括多功能超级电容器、高安全锌离子电池和锌空气电池等。已发表SCI论文超过300篇，他引20000多次，h-index为80 （ISI）。

黄庆，研究员，博士生导师。1995-2002年求学于天津大学，获得无机非金属材料学士学位和材料学硕士学位。2002-2005年在上海硅酸盐所就读，获材料物理与化学博士学位。2005-2010年，分别在日本物质材料研究所和美国加州大学戴维斯分校开展博士后研究。2010年回国任职中科院宁波材料所。

研究方向: 主要集中于极端环境能源材料的开发与应用，主要包括三元层状陶瓷的制备与*电环境下物性与结构的表征，事故容错型*燃料包壳材料用新型复合材料的设计与评估，可燃中子毒物靶材的制备技术与工程化技术，功能光电材料的微波制备技术等。已在Nature Materials，Journal of Americian Chemical Society，PNAS，Advanced Materials，Angewandte Chemie International Edition等期刊杂志上发表论文230余篇，发表著作1部；被引5200余次，h指数38。

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