水系锌离子电池 | ANGEW | 构建2D三明治型MOF/MXene异质结构用于持久和快速的水系锌离

研究速览

■ 近日，深圳大学宋军教授和香港理工大学黄维扬教授团队报道了一种交替堆叠的MOF/MX异质结构，表现出二维三明治状结构，具有丰富的活性位点，更好的导电性和优异的结构稳定性。原位表征和理论计算揭示了锌离子在二维异质结构中的可逆插层机制和高导电性，表明锌离子更容易吸附在异质结构的表面，有利于电化学反应的快速发生，从而有利于电池倍率性能的提高。电化学测试证实了良好的Zn2+迁移动力学和理想的赝电容行为。结果表明，Cu-HHTP/MX具有优异的倍率性能(在0.1 A g-1时为260.1 mAh g-1，在4 A g-1时为173.1 mAh g-1)，在4 A g-1下1000次循环的长期循环稳定性为92.5%。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ 金属有机骨架材料(MOFs)，是近十几年来发展迅速的一种配位聚合物材料。该材料通过金属离子和有机配体进行自组装得到，具有高的比表面积、丰富可调的孔道结构和可修饰的表面。二维金属有机骨架兼具二维材料和MOFs材料的双重优势,被认为是新一代高性能锌离子电池理想的电极材料。然而，传统的导电性差和结构稳定性差阻碍了其发展。

■ MXene (MX)是具有多个官能团的类石墨烯二维层状材料，具有良好的二维结构和理想的性能，如优异的金属导电性、亲水性和可调的表面化学,将MX引入MOFs材料中具有独特的优势。。因此，本文采用简单的液相直接组装策略制备了由Cu-HHTP和改性V2CTx纳米片交替堆叠而成的Cu-HHTP/MX异质结构。二维Cu-HHTP/MX异质结构在Cu-HHTP活性材料与MX之间建立了有效的电荷传输通道，而MX有助于提高结构的稳定性，促进电子的快速传输。此外，Cu-HHTP/MX表现出增强的反应动力学，包括较高的Zn2+扩散系数和良好的赝电容效应。

Part2

▉  研究要点1  ▉

图 1. a) Cu-HHTP/MX二维异质结构形成示意图。b) Zn为阳极，Cu-HHTP/MX异质结构为阴极的Zn/Cu-HHTP/MX电池机理图。

▉  研究要点2  ▉

图 2. a) PDDA-MX、Cu-HHTP、Cu-HHTP/MX的Zeta电位。b) Cu-HHTP、MX、Cu-HHTP/MX的XRD图谱。c, d) 氮气吸附-解吸等温线及其孔径分布图。e) EPR谱。f) TGA曲线。Cu-HHTP/MX的g) SEM图，h) HRTEM图，i) SAED图。

▉  研究要点3  ▉

图3.a) 电流密度为100 mA g-1下的充放电曲线，其中选中标记状态进行非原位测试。b) XRD图谱。c, d) O 1s和Cu 2p的XPS光谱。e) HAADF-STEM以及在完全放电和充电状态下记录的相应元素映射图像。

▉  研究要点4  ▉

图4a) 0.1 mV s-1时的CV曲线。b) 0.1 A g-1时的充放电曲线。c-e) Cu-HHTP和Cu-HHTP/MX的循环性能、倍率性能和平均容量。f) 不同电流密度下的充放电曲线。g) 4 A g-1下的长期循环测试。h) 本文的Cu-HHTP/MX阴极与报道的用于锌离子电池的MOF阴极倍率性能比较。

Part3

▉  研究总结  ▉

■ 最终，MOF/MX异质结构在锌离子电池应用中表现出高的比容量，优异的倍率性能和良好的循环稳定性。该工作为未来合理设计高性能二维MOFs基水系锌离子电池正极材料提供了新的思路。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202218343