关于Ti3CiN2−iTx(i=0,1,2)-MXene在高性能钠离子电池阳极材料中的应用研究
一、文章概述
二维(2D) MXene，包括碳化物、氮化物和碳氮化物MXene，已被证明是一种可能的候选钠离子电池负极材料。文章重点研究了氮化物MXene的电子性能和电化学性能。首先，利用密度泛函理论模拟揭示了钛碳氮化物Ti3CNTx、氮化物MXene Ti3N2Tx和带氧端碳化物MXene Ti3C2Tx的几何结构和电子性能、Na扩散路径和存储行为，预测了Ti3N2O2比Ti3C2O2具有更好的性能。同时，对Ti3C2Tx和Ti3CNTx进行了结构表征和电化学性能实验，验证了理论预测并测试了循环性能。Ti3N2O2的优异性能来自于O Ti N比O Ti C连接更强，导致Ti3N2O2的堆叠更紧密，层间距比Ti3C2O2大，有利于钠化和脱盐。在20 mA/g电流密度下，循环35次后，Ti3CNTx的容量再次增加到145 mAh/g，理论计算结果的扩散垒证实了Ti3CNTx比Ti3C2Tx具有更好的倍率性能。Ti3CNTx循环200次后的循环性能为110 mAh/g(初始值的60%)，优于Ti3C2Tx 87 mAh/g(初始值的51%)。值得注意的是，这些性能保证了氮化MXene比碳化物MXene更适合作为钠离子电池的负极材料。这些研究结果有助于拓展MXene家族，促进其在储能领域的应用。
二、图文导读
图1.Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2结构的电子性能。(a c) Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2的态密度和(d)电荷密度差。这里，蓝色区域代表电子损失，黄色区域代表电子积累。
图2.Na在Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2中嵌入的扩散路径和能垒。(a)一个Na在Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2层中的扩散路径和(c)能垒。(b)以Ti3N2O2型MXene为例，一个Na原子稳定插层的主视图。
图3.Ti3C2O2、Ti3CNO2 和 Ti3N2O2 中不同 Na 含量的结构模型和特征。(a) 以 Ti3N2O2 为例，9 (6.67%)、18 (13.33%)、27 (20.00%) 和 45 (33.35%) 个 Na 原子嵌入 Ti3C2O2、Ti3CNO2 和 Ti3N2O2 层的结构模型和（ b, c) Ti3C2O2、Ti3CNO2 和 Ti3N2O2 层中不同 Na 原子数的形成能（实线）、平均吸附能（虚线）和层间距。
图4.Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2的电荷转移和电化学性能。(a)Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2中18个Na原子(13.33%)的电荷密度差和(b) Bader分析。其中，黑色方块表示循环前Ti、C、O、N的电荷数，红色圆圈表示循环后的电荷数。(c)计算不同数量的Na插入到Ti3C2O2、Ti3CNO2和Ti3N2O2的OCVs(实线)和容量(虚线)。
图5.Ti3C2Tx和Ti3CNTx的结构表征。(a) Ti3C2Tx和(b) Ti3CNTx的SEM图。(c) Ti3AlC2、Ti3AlCN、Ti3C2Tx和Ti3CNTx的XRD谱图。(d) Ti3C2Tx和Ti3CNTx的孔径分布;插图为氮气吸附解吸等温线。(e) Ti3C2Tx和Ti3CNTx的XPS测量光谱。(f) Ti3C2Tx和Ti3CNTx的反卷积N 1s峰的高分辨率XPS光谱。
图6.Ti3C2Tx和 Ti3CNTx的电化学性能测试。(a) Ti3C2Tx在0.1 mV/s下前三个周期的CV曲线。(b) Ti3CNTx在0.1 mV/s下前三个周期的CV曲线。(c)在电流密度为20 mA/g时，Ti3C2Tx和Ti3CNTx的初始放电/充电分布。(d)在20到2000 mA/g的不同电流密度下的速率性能。(e) Ti3C2Tx和Ti3CNTx在电流密度为100 mA/g时的循环性能。(f)循环前Ti3C2Tx和Ti3CNTx的Nyquist图。
三、全文总结
总之，通过实验和计算方法(DFT)分析了碳化钛(Ti3C2Tx)和氮化碳(Ti3CNTx和Ti3N2Tx) MXenes的电子性能和电化学性能。结果表明，O Ti N的相互作用强于O Ti C，导致Ti3CNO2和Ti3N2O2的堆叠更紧密，层间间距大于Ti3C2O2，有利于钠化/脱盐。从DOS图中可以看出，Ti3N2Tx和Ti3CNTx MXenes具有更好的导电性。Ti3C2O2的扩散势垒为0.04 eV和0.123 eV，而Ti3C2O2的扩散势垒为0.31 eV，实验结果证实了这一点。此外，降低了Ti3N2Tx的开路电压值。值得一提的是，Ti3CNTx比Ti3C2Tx具有更好的循环性能。这些独特的特性使这些碳氮化物/氮化物MXenes (Ti3CNTx和Ti3N2Tx)成为有前途的可充电钠离子电池负极材料，这可能会立即引起人们的关注。
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