《Chemical Engineering Journal》：光子烧结处理将致密MXene薄膜瞬时结构化为用于锂离子电池阳极的多孔MXene/TiO2纳米复合材料（IF=15.17）

发布日期：2024-05-11浏览次数：607

背景：

MXenes，二维金属碳化物和氮化物，因其在各种储能系统中的显着性能而被认为是一类新型电极材料。此外，独特的性质和形貌使得MXenes可以组装成独立的薄膜，可应用于轻质、高能量密度的储能器件。然而，它们的重新堆叠和聚集倾向仍然是增强MXene电化学性能的挑战。在这项研究中，我们提出了一种借助光子烧结制造多孔MXene-TiO2独立式阳极的简便方法。只需用光子烧结在几毫秒内加热MXene薄膜即可增加MXene的层间距，同时在MXene表面形成TiO2。随着中间层的加宽和TiO2的形成，润湿性得到改善，电解质易于渗透，电极电阻降低。因此，这种独立式阳极在0.05A/g电流下的Li+存储容量(148 mAh/g)比原始MXene薄膜(3mAh/g)高出近50倍，并且具有高达1500次循环的优异循环稳定性而不会降解。

文献介绍：

锂离子电池（LIB）的发明对储能行业产生了令人难以置信的影响。这些电池广泛用于多种应用，包括便携式电子产品例如智能手机和笔记本电脑、手持设备、电动汽车以及更广泛的能源存储系统。然而，尽管它们用途广泛，但在能量密度、安全性和充电速度方面仍有巨大的改进潜力。此外，随着能量存储设备的使用多样化，涵盖可穿戴医疗设备、智能服装和可弯曲显示器等应用，开发不仅灵活、重量轻，而且能保持高电化学性能的系统变得令人期望。

在这方面，MXenes、二维(2D)过渡金属碳化物和氮化物已成为新型电极材料的重要候选者。MXenes主要通过选择性刻蚀MAX相中的A层（多为Al、Si、Zn、Ga等）的方法制造，其中M代表过渡金属（Ti、V、Mo、Nb等），X是碳和/或氮。合成的MXenes的化学式为Mn+1XnTx（n = 1、2或3），Tx表示表面末端（–OH、-O、-F等）。由于其结构和表面功能端接，它们表现出独特的性能组合，包括高电导率、热稳定性、卓越的机械性能和高比表面积。特别是，MXene基材料的独特性能使其成为潜在的下一代电极材料；(1)MXene可以通过层间空间内的快速锂化/脱锂过程来存储离子。此外，源自过渡金属的MXene的高电导率有助于实现高倍率性能，显示出作为电极材料的广阔潜力。因此，MXene有望通过增强电导率、减少极化和增强电池的整体循环稳定性来提高电池的整体性能。事实上，MXene被用作各种储能系统的电极，例如锂离子电池、钠离子电池和超级电容器。(2)连续蚀刻的MXenes胶体溶液含有分散的MXene薄片，可以很容易地组装成独立的薄膜。因此，借助MXenes，通过真空过滤、涂层和印刷等方法可以方便地制造独立式电极。这些MXene薄膜具有高导电性和机械强度，非常适合用于轻型储能设备，并且可以用作阳极，无需金属集流体或粘合剂。

到目前为止，人们已经尝试了各种方法在电极中使用MXene，并通过结构控制、表面/界面改性和创建MXene基复合材料进行了进一步的修饰以增强MXene的电化学性能。然而，MXene在实际应用中广泛采用之前，必须克服一些挑战。

与MXene相关的主要问题之一是它们倾向于重新堆叠和聚合。在这种情况下，堆叠的MXene严重阻碍电解质的渗透并阻碍离子扩散，导致离子存储能力受到限制。避免这些问题的大部分努力涉及通过模板辅助方法、组装方法和冷冻干燥方法等方法合成多孔3D结构。Liu等人以硫为模板合成了3D多孔MXenes，随后在氩气气氛下通过300℃热处理将其去除。受益于其结构，保证了离子传输的电解质通道和更多的活性位点。Ma等人合成了MXene rGO杂化薄膜，通过将氧化石墨烯与MXene组装来实现3D微孔结构。Liu等人还利用Fe(OH)3纳米粒子作为模板制备了纳米多孔MXene薄膜。然而，这些方法通常被证明既耗时又复杂，并且可能需要额外的材料。

本研究提出了一种简便的制备多孔MXene-TiO2薄膜的方法，克服了先前研究的复杂性和耗时的过程，同时提高了电化学性能。我们的方法采用强脉冲光(IPL)过程，也称为光子烧结过程，它利用来自氙灯的短脉冲白光，覆盖整个可见光范围，仅包含少量紫外线和近红外光。传统上，光子烧结工艺快速加热目标材料，同时最大限度地减少对基材的损坏，使其成为依赖熔炉的传统烧结技术的理想替代方案。该过程可以在室温和环境条件下在几毫秒内烧结金属纳米粒子。因此，该技术具有双重优势；它促进了MXene薄膜中多孔结构的形成，同时通过在空气环境中调节光子烧结功率，可以在其表面上控制TiO2的形成。

使用经过光子烧结处理的独立式MXene-TiO2薄膜作为阳极具有多种优势。首先，在瞬间，当MXene表面的一部分发生氧化并转变为活性材料时，它允许TiO2大量分散，并使MXene-TiO2界面面积最大化。现有通过混合MXene和钛前驱体形成MXene-TiO2的方法工艺复杂，且通过热处理的氧化方法难以控制氧化程度。然而，这种方法可以通过简单的过程轻松地将部分MXene氧化为纳米级的TiO2。同时，形成多孔结构提高了电子转移效率，增强了离子扩散，并表现出高容量。此外，它是一种通用方法，也可以应用于其他基于过渡金属的MXene。通过首次使用MXene实现光子烧结工艺，我们的方法为复杂且耗时的技术提供了一种有前途的替代方案。它为制造用作LIB阳极的高性能多孔MXene-TiO2薄膜提供了一种简单而有效的解决方案。结果，优化后的光子烧结MXene薄膜的比容量比原始MXene薄膜高50倍，并且稳定运行1500次循环而没有容量下降。

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