廣東工業大學J Power Sources：錨定在氮摻雜MXene納米片的高分散氧化鐵納米顆粒作為高性能鋰離子電池負極材料

【引言】

氧化鐵（Fe₂O₃）具有較高的理論容量（?1000 mAh^-1），豐富的資源和環境友好等優點，因此被認為是其中一種最有希望的新型鋰離子電池負極材料。然而，Fe₂O₃導電性差和鋰離子擴散緩慢等問題將不可避免地導致其容量和低倍率能力較差。更嚴重的是，Fe₂O₃在脫嵌鋰過程中的體積膨脹引起電極粉碎，從而導致其循環穩定性欠佳。為了改善Fe₂O₃的電化學性能，納米結構的Fe₂O₃ 與各種碳材料復合已經被廣泛研究。例如，Fe₂O₃納米顆粒錨定在石墨烯上可以同時防止納米顆粒重新團聚和緩沖Fe₂O₃充放電過程中的體積膨脹。此外，石墨烯為Fe₂O₃納米顆粒提供了高導電性的基底，保證電子的快速傳導。受此啟發，MXene 作為一種新型的二維材料也因其獨特物理和化學性質而被應用于鋰離子電池負極復合材料。

近日，廣東工業大學閔永剛和蔡俊杰（通訊作者）合成了錨定在皺折的氮摻雜MXene納米片上的分散良好的氧化鐵納米顆粒（NPs）的納米復合材料（N–Ti₃C₂/Fe₂O₃）。與普通的多層MXene相比，皺折的N摻雜MXene納米片具有更大的比表面積和孔體積以及大量的活性位點，可以更好地將Fe₂O₃納米顆粒均勻地固定在MXene基底上，防止納米顆粒的團聚以及緩沖體積變化。這種復合材料，同時結合了MXene的高導電性和氧化鐵納米顆粒高鋰離子存儲能力，因此N–Ti₃C₂/Fe₂O₃復合材料作為鋰離子電池負極具有出色的倍率性能，高容量和長循環壽命。相關研究成果以“Highly-dispersed iron oxide nanoparticles anchored on crumpled nitrogen-doped MXene nanosheets as anode for Li-ion batteries with enhanced cyclic and rate performance? ”為題發表在Journal of Power Sources上。論文的第一作者為張增耀。

【圖文導讀】

圖一、用無溶劑熱分解法直接制備N–Ti₃C₂/Fe₂O₃納米復合材料的示意圖

圖二、SEM形貌表征

（a–b）Ti₃C₂T_X的SEM圖像；

（c–d）N–Ti₃C₂的SEM圖像；

（e–f）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃納米復合材料的SEM圖像。

圖三、N–Ti₃C₂/Fe₂O₃納米復合材料的物性分析

（a-b）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃納米復合材料X射線衍射圖（a）和XPS譜圖（b）；

（c-d）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃納米復合材料N 1s（c）和Fe 2p（d）的高分辨XPS光譜。

圖四、N–Ti₃C₂/Fe₂O₃納米復合材料的TEM分析

（a-c）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃納米復合材料的TEM圖像（a–b）和相應的HRTEM圖像（c）；

（d）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃納米復合材料的STEM圖像和元素映射圖像（d ₁ –d ₅）。

圖五、N–Ti₃C₂/Fe₂O₃納米復合材料的電化學性能

（a）N–Ti₃C₂/Fe₂O₃電極的循環伏安曲線；

（b）比較N–Ti₃C₂/Fe₂O₃和Ti₃C₂/Fe₂O₃樣品的倍率性能；

（c）在不同電流密度下N–Ti₃C₂/Fe₂O₃的恒電流充放電曲線；

（d）來自不同樣品的EIS曲線。

圖六、N–Ti₃C₂/Fe₂O₃納米復合材料的長循環性能

（a）在電流密度為1 A g^-1時的循環性能比較；

（b）在電流密度為2 A g^-1時N–Ti₃C₂/Fe₂O₃復合電極的恒電流放電/充電曲線；（c）在2 A g^-1的電流密度下的相應長循環性能。

【小結】

綜上所述，錨定在高度導電的N摻雜MXene納米片上的分散良好的氧化鐵納米粒子的納米復合材料擁有比用Ti₃C₂制備的樣品更好的電化學性能，主要歸因于N–Ti₃C₂的獨特皺紋結構具有高的比表面積和氮摻雜增加了整個電極的電子傳導性。此外，N–Ti₃C₂納米片在納米復合材料中充當隔層，以有效防止納米粒子的聚集和MXene納米片的重新堆疊，從而有效緩沖了活性物質的大體積變化。N-Ti₃C₂/Fe₂O₃陽極具有良好的可逆容量和長期循環穩定性，表明N-Ti₃C₂/Fe₂O₃有望成為下一代鋰離子電池陽極材料。

文獻鏈接：“Highly-dispersed iron oxide nanoparticles anchored on crumpled nitrogen-doped MXene nanosheets as anode for Li-ion batteries with enhanced cyclic and rate performance”(Journal of Power Sources，2019， DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.227107 )

本文由廣東工業大學閔永剛和蔡俊杰課題組供稿。

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