鋰離子電池作為典型的二次儲能器件，擁有能量密度高、電壓高、自放電低、環(huán)境友好等特點，廣泛應(yīng)用于儲能電源、新能源汽車、消費電子、航空航天等多個領(lǐng)域。
近年來，新發(fā)現(xiàn)的二維過渡金屬碳化物或氮化物MXene家族由于較好的導(dǎo)電性、親水性等優(yōu)點，這些優(yōu)越的特性使MXene二維材料成為非常有應(yīng)用潛力的儲能電極材料。
MXene材料表面特性對其電化學(xué)性能至關(guān)重要。華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院江建軍教授團(tuán)隊與德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授團(tuán)隊合作，研究了限制在二維MXene Ti 3 C 2 T x層間的電荷轉(zhuǎn)移引起的EDOT聚合效應(yīng)，在不使用任何氧化劑情況下在Ti 3 C 2 T x MXene的表面上實現(xiàn)3,4-亞乙基二氧噻吩(EDOT)的原位聚合，顯著改進(jìn)了Ti 3 C 2 T x /poly-EDOT復(fù)合物的鋰離子儲存能力。并結(jié)合實驗和理論研究揭示了EDOT電荷轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)聚合的機理，該機理可以擴展到其他類似的聚合物對MXene二維材料表面改性研究。
該研究成果以“Charge transfer induced polymerization of EDOT confined between 2D titanium carbide layers“為題，發(fā)表在能源領(lǐng)域國際知名期刊Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5: 5260，影響因子8.867。該論文被JMCA審稿人高度評價，并被期刊編輯選為” 2017 HOT Papers”。博士生陳馳為該工作的第一作者，江建軍教授及Yury Gogotsi教授為該論文共同通訊作者。陳馳同學(xué)感謝國家留學(xué)基金委的資助。
圖1 MXene/EDOT復(fù)合結(jié)構(gòu)及EDOT表面聚合機理示意圖
二硫化鉬(MoS2)是二維過渡金屬硫?qū)偌易宓湫偷囊粏T，由于較高的理論容量而在鋰離子電池領(lǐng)域受到大量關(guān)注。然而，由于MoS2作為電極材料時較差的導(dǎo)電性，并且在循環(huán)過程中產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，往往表現(xiàn)較差的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
近期，江建軍教授團(tuán)隊與德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授團(tuán)隊合作，通過構(gòu)建MXene/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在解決MoS2較差循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的同時，也能有效改善MXene作為電極材料容量較低的情況，從而達(dá)到雙贏的效果。該研究通過高溫處理負(fù)載硫的一種MXene(Mo2TiC2Tx)，使部分MXene被硫化，從而獲得二維MXene/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過第一性原理分析表明，在鋰離子嵌入和轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中，MXene/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)對Li和中間產(chǎn)物L(fēng)i2S更好的吸附能力，從而增強材料的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。2018年1月17日，國際知名期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie，影響因子11.994)在線發(fā)表了相關(guān)研究成果，論文題為“MoS2-on-MXene Heterostructures as Highly Reversible Anode Materials for Lithium-Ion Batteries”。博士生陳馳為該工作的第一作者，江建軍團(tuán)隊青年教師繆靈副教授及Yury Gogotsi教授為該論文共同通訊作者。陳馳同學(xué)感謝國家留學(xué)基金委的資助。
圖2MXene/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)合成示意圖及鋰離子存儲特性
超級電容器作為一種新型的儲能器件，因其具有充放電速度快、效率高、對環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高等綜合電化學(xué)特性，越來越受到人們的重視。然而，由于超級電容器的能量密度低于高能蓄電池一個數(shù)量級，限制了其在兼顧高能量密度領(lǐng)域的應(yīng)用。因此開發(fā)性能優(yōu)異且實用的電極材料是超級電容器研究中首當(dāng)其沖的問題。
華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院江建軍教授團(tuán)隊在與法國圖盧茲三大Patrice Simon教授的合作中，對MXene二維材料儲能的機理研究中取得了重要進(jìn)展。雙方團(tuán)隊在合作中建立了MXene二維材料/離子液體模擬和模型，通過分子動力學(xué)方法模擬解釋了在充放電過程中超級電容器電極陰陽極具有完全不同充放電機制，以及驗證了在in situXRD中所觀察到電極體積變化。2018年1月，該研究成果以“Tracking Ionic Rearrangements and Interpreting Dynamic Volumetric Changes in Two-Dimensional Metal Carbide Supercapacitors: A Molecular Dynamics Simulation Study“為題，發(fā)表在能源領(lǐng)域國際知名期刊ChemSusChem上，影響因子7.226(論文鏈接http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.201702068/abstract)。審稿人對該工作進(jìn)行了高度評價，認(rèn)為對二維特性電極材料充放電機制提供了微觀的認(rèn)識，并能為實驗中電極材料的設(shè)計提供了方向。博士生徐葵為該工作的第一作者，江建軍教授及Patrice Simon教授為該論文共同通訊作者。該研究工作獲得國家自然科學(xué)基金資助(No. 51302097 & No. 51571096)。徐葵同學(xué)感謝國家留學(xué)基金委的資助。
圖3 MXene電極/離子液體模擬模型示意圖
近年來，江建軍教授團(tuán)隊與相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外多個知名課題組開展廣泛合作，在包括Nature Communication (8: 336, 2017.), Energy Environ. Sci. (9: 2586, 2016), Nano Lett (15: 4692, 2015), Advanced Energy Materials(6: 1501929, 2016), Nano Energy (12: 386, 2015; 12: 386, 2015; 11: 226, 2015)等能源、納米領(lǐng)域頂級期刊發(fā)表了相關(guān)工作。并有3名博士生同學(xué)獲得國家留學(xué)基金委資助，在國際著名課題組聯(lián)合培養(yǎng)，攻讀學(xué)位。
編輯點評
近年來，新發(fā)現(xiàn)的二維過渡金屬碳化物或氮化物MXene家族由于較好的導(dǎo)電性、親水性等優(yōu)點，這些優(yōu)越的特性使MXene二維材料成為非常有應(yīng)用潛力的儲能電極材料。得益于國家自然基金的大力扶持以及研究人員的創(chuàng)新探索，華中大在納米材料電化學(xué)儲能領(lǐng)域國際合作取得重要進(jìn)展
