結合二維（2D）納米材料的優勢，MXenes在下一代可充電電池中顯示出巨大的潛力。與其他二維材料類似，MXenes 通常存在嚴重的自堆疊、低容量和不滿意的耐用性，尤其是對于較大的鈉/鉀離子，影響了它們的實用價值。在這項工作中，設計了一種由過渡金屬硒化物（MSe、M = Cu、Ni和Co）、MXene 納米片和具有超快離子傳輸特性的富氮碳質納米帶（CNRibs）自組裝的新型三元異質結構，用于緩慢的鈉離子傳輸。離子(SIB)和鉀離子(PIB) 電池。受益于不同的化學特性，帶正電荷的MSe通過靜電吸附固定在帶負電的羥基(-OH) 功能化的 MXene表面上，而真菌衍生的CNRib通過氨基橋接和氫鍵與MXene的另一側鍵合。這種獨特的基于MXene的異質結構可防止2D材料的重新堆疊，增加內在的電導率，最重要的是，提供了超快的界面離子傳輸途徑和額外的表面和界面存儲位點，從而提高了SIB和PIB中的高速存儲性能。
Figure 1. 前體材料和由過渡金屬硒化物、Ti
3C
2T
x MXene和真菌衍生的富氮碳質納米帶(MSe-MXene-CNRib)組成的異質結構的形態表征：（a）黑曲霉衍生的碳質納米帶的SEM圖。（b）少層Ti
3C
2T
x MXenes的SEM圖。（c）MXene@fungus衍生的碳質納米帶的SEM圖。Cu
1.75Se-MXene-CNRib的（d）SEM圖和（e）放大圖。（f）Cu
1.75Se-MXene-CNRib的STEM元素映射。（g）Cu
1.75Se-MXene-CNRib 的TG-DSC曲線。（h）Cu
1.75Se-MXene-CNRib、NiSe
2-MXene-CNRib和CoSe
2-MXene-CNRib的氮吸附-解吸等溫線和（i）孔徑分布。
Figure 2.前體材料和由過渡金屬硒化物、Ti
3C
2T
x MXene和真菌衍生的富氮碳質納米帶（MSe-MXene-CNRib）組成的異質結構的結構表征：（a-b）Cu
1.75Se-MXene-CNRib，（c-d）NiSe
2-MXene-CNRib和（e-f）CoSe
2-MXene-CNRib的TEM和HRTEM圖。（g-i）Cu
1.75Se-MXene-CNRib、NiSe
2-MXene-CNRib和CoSe
2-MXene-CNRib的元素映射
Figure 3.前體材料和由過渡金屬硒化物、Ti
3C
2T
x MXene和真菌衍生的富氮碳質納米帶(MSe-MXene-CNRib)組成的異質結構的成分分析：（a）Ti
3C
2T
x、Cu
1.75Se-MXene-CNRib、NiSe
2- MXene-CNRib和CoSe
2-MXene-CNRib的XRD圖。（b）黑曲霉、CNRib、MXene-CNRib和Cu
1.75Se-MXene-CNRib的FTIR 結果。（c）黑曲霉、CNRib和MXene-CNRib的拉曼位移。（d）CNRib和Cu
1.75Se-MXene-CNRib的高分辨率C 1 s XPS光譜。（e）原始Ti
3C
2T
x MXene和Cu
1.75Se-MXene-CNRib的高分辨率Ti 2p XPS光譜
Figure 4. MSe-MXene-CNRib異質結構的電化學Na離子存儲性能：對于（a）Cu
1.75Se-MXene-CNRib、（b）NiSe
2-MXene-CNRib和（c）CoSe
2-MXene-CNRib，前三個循環在 0.2 mV s
-1 掃描速率下的CV曲線。某些特定充放電循環的GCD曲線：（d）Cu
1.75Se-MXene-CNRib、（e）NiSe
2-MXene-CNRib和（f）CoSe
2-MXene-CNRib。（g）0.1 A g
-1時的倍率性能和循環穩定性。（h）1.0 A g
−1時的循環穩定性。
Figure 5.（a）用于儲鈉的Cu
1.75Se-MXene-CNRib負極的充放電曲線。（b）Cu
1.75Se-MXene-CNRib在特定電位下的XRD圖譜。（c）在特定電位下Cu
1.75Se-MXene-CNRib 的Na元素映射。不同充電/放電階段的（d）非原位Cu元素的 LMM高分辨俄歇電子能譜和（e）Se 3d的高分辨XPS光譜。
Figure 6.對過渡金屬硒化物和真菌衍生的富N碳納米帶(MSe-MXene-CNRib)組成的異質結構進行電化學測量的Na
+的動態特性：（a）Cu
1.75Se-MXene-CNRib在不同掃描速率下的CV曲線。（b）Cu
1.75Se-MXene-CNRib的峰值電流與各種掃描速率之間的線性對數關系。（c）Cu1.75Se-MXene-CNRib 在1.0 mV s
-1 時的CV曲線，帶有陰影區域的是指贗電容占的比例。（d）MSe-MXene-CNRib納米雜化物在不同掃描速率下容量貢獻比。（e）Cu
1.75Se-MXene-CNRib的GITT電位曲線和相應的Na離子擴散率與MSe-MXene-CNRib樣品的鈉化/脫鈉狀態.
Figure 7. Cu
1.75Se-MXene-CNRib 異質結構的電化學K離子存儲性能：（a）前三個循環的CV曲線，掃描速率為0.2 mV s
-1。（b）不同掃描速率下的CV曲線。（c）峰值電流與各種掃描速率之間的線性對數關系。（d）掃描速率為1.0 mV s
−1時的CV曲線，帶有虛線區域是贗電容占的比例。（e）擴散控制和贗電容過程的標準化容量貢獻率。（f）倍率性能，（g）在0.1和1.0 A g
-1下的循環性能。（h）GITT和相應的DK值。
Figure 8. 由過渡金屬硒化物和真菌衍生的富氮碳質納米帶(MSe-MXene-CNRib) 組成的異質結構中Na/K吸附和擴散的理論計算：（a）吸附Na的原始MXene、Cu
1.75Se-MXene- CNRib、NiSe
2-MXene-CNRib和CoSe
2-MXene-CNRib的態密度。 （b）計算的Cu
1.75Se-MXene-CNRib、NiSe
2-MXene-CNRib和CoSe
2-MXene-CNRib 中最穩定的Na吸附位點的吸附能。（c）Na吸附的Cu
1.75Se-MXene-CNRib、NiSe
2-MXene-CNRib和CoSe
2-MXene-CNRib的電荷密度差異。（d）Cu
1.75Se和Ti
3C
2O
2@N摻雜碳層間Na/K擴散的能量分布。
相關研究成果由澳大利亞昆士蘭科技大學Ziqi Sun課題組與吉林大學Wei Han課題組于2021年發表在《Nano-Micro Letters》（https://doi.org/10.1007/s40820-021-00623-5）上。原文：Strongly Coupled 2D Transition Metal Chalcogenide?MXene?Carbonaceous Nanoribbon Heterostructures with Ultrafast Ion Transport for Boosting Sodium/Potassium Ions Storage。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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