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中國科學(xué)院工程技術(shù)研究所Qing Huang和香港城市大學(xué)Chunyi Zhi教授--通過鹵代Ti3C2 MXenes協(xié)同誘導(dǎo)均勻鋅電沉積的晶格匹配與鹵素調(diào)控

由于Zn²⁺離子的不均勻擴(kuò)散和電沉積導(dǎo)致的枝晶生長和低庫侖效率成為開發(fā)鋅金屬陽極的障礙。在這項工作中，我們證明了化學(xué)計量鹵化MXenes (Ti₃C₂Cl₂, Ti₃C₂Br₂和Ti₃C₂I₂)作為一個人工層，可以誘導(dǎo)均勻的鋅沉積。有效的再分布效應(yīng)是由相干的異質(zhì)界面重建和鹵素表面終止調(diào)控的離子平鋪引起的。所采用的MXene與Zn的高度晶格匹配(90%)的協(xié)同效應(yīng)，以及鹵素正調(diào)控，引導(dǎo)Zn²⁺離子在MXene基體最廣泛的(000l)晶面上均勻成核并平面生長。在Zn離子調(diào)控方面，Cl對Zn²⁺離子的吸附和擴(kuò)散系數(shù)適中，比O/F、Br和I更有效。Ti₃C₂Cl₂鋅陽極達(dá)到延長壽命超過12次 (840 h at 2 mA cm⁻²//1 mAh cm⁻²)，。由于MXene材料具有豐富的晶格參數(shù)和端部，該策略有望推廣到其他金屬陽極系統(tǒng)。

圖 1. (a) Zn枝晶生長示意圖。(b) MXene晶體結(jié)構(gòu)與MXene上鋅礦床匹配示意圖。(c)端鹵素Ti₃C₂(F/Cl/Br/I)₂的晶格參數(shù)a與計算的晶格匹配比。(d)計算出Zn原子與相鄰鹵素末端的原子距離與不同MXene表面對Zn原子的吸附能。(e)計算不同MXene表面上兩個Zn原子之間的結(jié)合能與后一個Zn原子散布在MXene表面或堆疊在前一個Zn原子上的能差。

圖2 (a) Ti₃C₂OF MXene， (b) Ti₃C₂Cl₂ MXene， (c) Ti₃C₂Br₂ MXene， (d) Ti₃C₂I₂ MXene的SEM圖像和EDX映射結(jié)果。(e) Ti₃C₂F₂ MXene、(f) Ti₃C₂Cl₂ MXene、(g) Ti₃C₂Br₂ MXene和(h) Ti₃C₂I₂ MXene的能帶結(jié)構(gòu)和預(yù)測態(tài)密度的DFT計算結(jié)果。

圖 3. (a)對稱電池在0.01 -100 000 Hz頻率范圍內(nèi)的電化學(xué)阻抗譜(EIS)。(b)對稱電池在1mA cm^-2時的成核過電位。(c)固定容量為1mAh cm^-2的對稱電池在2mA cm^-2下的長期循環(huán)性能。(d)對稱電池在10mA cm^-2固定容量1 mAh cm^-2下的長期循環(huán)性能。(e)在固定容量為1 mAh cm^-2的裸鋅金屬和Ti₃C₂Cl₂-Zn對稱電池中，在1-10 mA cm²的不同電流密度范圍內(nèi)，剝鋅/鍍鋅的電壓分布比較。(f) 2 mA cm²下對稱電池的循環(huán)耐久性和過電位比較。(g)在平坦光滑的表面循環(huán)后的MCl-Zn電極的SEM圖像和EDX映射。(h) Ti₃C₂Cl₂基體與鋅礦共存的異質(zhì)界面區(qū)HRTEM圖像。(i) MXene基體上Zn沉積過程的示意圖，涉及初始Zn平鋪和隨后的相干非均質(zhì)界面結(jié)構(gòu)。

圖4。(a) Zn/ Cu非對稱電池在1.0 mA cm^-²和0.5 mAh cm^-²的固定容量下進(jìn)行特定循環(huán)后的GCD曲線。(b) MCl-Zn//Cu非對稱電池在1.0 mA cm^-², 0.5 mAh cm^-²的固定容量下，經(jīng)過特定循環(huán)后的GCD分布。(c) Zn//Cu和MCl-Zn//Cu非對稱電池在1.0 mA cm^-², 0.5 mAh cm^-²固定容量下的庫侖效率曲線。(d) mc-Zn //Cu非對稱電池在2 10 mA cm2的不同電流密度范圍內(nèi)，固定容量為1 mAh cm^-2時的GCD曲線。(e)采用固定的10 mA cm2的非對稱電池，在不同沉積容量范圍(1-3 mAh cm^-2)下的非對稱電池的GCD譜圖。(f) Zn//Cu和MCl -Zn//Cu非對稱電池在1 mV s下的CV曲線。(g)沉積后的MCl- Zn //Cu電極的SEM圖像和EDX映射結(jié)果。(h)沉積后的MCl- Zn //Cu電極的XPS光譜測量。

圖5 (a) Zn//Ti₃C₂I₂和MCl -Zn// Ti₃C₂I₂電池在1 mV s^-1下的CV曲線。(b) Zn//Ti₃C₂I₂和MCl -Zn//Ti₃C₂I₂電池在0.01-100 000 Hz頻率范圍內(nèi)的EIS譜。(c) Zn//Ti₃C₂I₂和MCl-Zn//Ti₃C₂I₂電池在3A g^-1時的GCD曲線。(d) Zn//Ti₃C₂I₂和MCl-Zn// Ti₃C₂I₂電池在0.5-5 A g^-1范圍內(nèi)，在不同電流密度下的速率能力。(e)不同速率下Zn//Ti₃C₂I₂電池和MCl-Zn//Ti₃C₂I₂電池的極化電壓比較。(f)比較Zn//Ti₃C₂I₂和MCl-Zn//Ti₃C₂I₂電池在3Ag^-1下的長期循環(huán)性能。(g)長期循環(huán)后的MCl-Zn陽極的SEM圖像。(嵌入)橫斷面圖像。(h) MCl-Zn//MnO₂和Zn//MnO₂電池在1 mV s^-1下的CV曲線。(i) MCl-Zn//MnO₂和Zn//MnO₂電池在2A g^-1時的長期循環(huán)性能。

相關(guān)科研成果中國科學(xué)院工程技術(shù)研究所Qing Huang和香港城市大學(xué)Chunyi Zhi教授于2021年發(fā)表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08358)上。原文：Lattice Matching and Halogen Regulation for Synergistically Induced Uniform Zinc Electrodeposition by Halogenated Ti₃C₂ MXenes。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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