金属钠具有理论容量高、成本低、资源丰富等特点，已成为钠离子电池理想的负极材料。然而，钠金属负极的真正可行性仍然受到不受控制的钠枝晶问题的阻碍。在此，通过直接墨水书写3D打印技术制造了一种人工三维（3D）分层多孔亲钠V2CTx/rGO-CNT微网格气凝胶，并进一步用作Na金属的基质以提供Na@V2CTx/rGO-CNT钠金属阳极。循环后，V2CTx/rGO-CNT 电极可产生超过 3000 小时（2 mA cm^-2、10 mAh cm^-2）的优异循环寿命，平均库仑效率为 99.54%。更有吸引力的是，它甚至可以在 5 mA cm-2 ，50 mAh cm-2 的超高面积容量下稳定运行超过 900 小时。原位和非原位表征和密度泛函理论模拟分析证明，具有丰富亲钠官能团的V2CTx可以有效引导钠金属成核和均匀沉积，从而实现无枝晶形貌。此外，将 Na@V2CTx/rGO-CNT 阳极与 Na3V2(PO4)3@C-rGO 阴极配对的全电池可以在 100 mA g^-1 下循环 400 次后提供 86.27 mAh g^-1 的高可逆容量。这项工作不仅阐明了亲钠性 V2CTx/rGO-CNT 微网格气凝胶电极上优异的钠沉积化学，而且还提供了一种通过 3D 打印方法制造先进的钠金属阳极的方法。
 
 
Figure 1. 3D打印的V2CTx/rGO-CNT微网格气凝胶电极的制备过程示意图。
 
  
Figure 2. (a-c) 30% V2CTx/rGO-CNT 微网格气凝胶的 SEM 图像。(d) V2CTx/rGO-CNT 纳米复合材料的 TEM 和 (e) HRTEM 图像。 (f) V2CTx/rGO-CNT 微网格气凝胶横截面的 SEM 和相应的 EDS 元素映射。 (g) rGO-CNT、V2CTx 和 V2CTx/rGO-CNT 纳米复合材料的 XRD 图谱。 (h) V2CTx MXene 和 V2CTx/rGO-CNT 的 XPS 光谱。 (i) rGO-CNT 和 V2CTx/rGO-CNT 纳米复合材料的 TGA 曲线。
 
 
Figure 3. 二维平面铜箔、rGO-CNT和各种V2CTx/rGO-CNT电极上Na金属电镀/剥离的电化学性能。 (a) 电极在 2 mA cm^-2 和 1 mAh cm^-2 下的 CE。 (b) 各种电极在 0.5 至 8 mA cm^-2 的电流密度下的倍率性能，有限的电镀/剥离持续时间为 1 小时。 (b) 中的插图显示了铜箔电极的短路。 (c) rGO-CNT 和 (d) 30% V2CTx/rGO-CNT 微栅电极在 (b) 中测量的各种电流密度下的电压-容量曲线。 （e）在（b）中测量的不同电流密度下每个电极的成核过电位。 30% V2CTx/rGOCNT 电极在 (f) 2 mA cm^-2 和 10 mAh cm^-2 和 (g) 5 mA cm^-2 和 50 mAh cm^-2 下的循环性能。 (h) 用于钠金属负极的 3D 打印石墨烯基基质和 (i) 各种基于 MXene 的钠金属负极的电化学性能比较雷达图。
 
 
Figure 4. 在 3D 打印的 V2CTx/rGO-CNT 电极上，在 0.2 mA cm^-2 下，Na 沉积和剥离的形态演变，沉积容量为 (a, a₁) 0.2, (b, b₁) 0.5, 和 (c, c₁) 2 mAh厘米-2; (d, d₁) 1, (e, e₁) 1.5, (f, f₁) 2 mAh cm^-2的剥离容量； (g) 相应的沉积-剥离曲线。 (h) Na 在 V2CTx/rGO-CNT 电极上以 1 mA cm^-2 沉积 2 小时的原位光学显微镜图像。
 
 
Figure 5. (a) 原位 TEM 装置的示意图。 (b) V2CTx/rGO-CNT 镀钠过程的原位 TEM 快照和 (c) 原始 V2CTx/rGO-CNT 和 (d) 钠沉积后的 SAED 图案。 (e) 钠沉积过程的示意图。基于 DFT 计算的 Na 和 (f) C (石墨烯)、(g) F (V2CF) 和 (h) O (V2CO) 之间的结合能。
 
 
Figure 6. Na@V2CTx/rGO-CNT||NVP@C-rGO全电池电化学性能评价。 (a) 完整电池示意图。 (b) NVP@C-rGO 正极和 Na@V2CTx/rGO-CNT 负极的恒电流充放电 (GCD) 曲线。 (c) 100 mA g^-1 时满电池的 GCD 曲线。插图是由完整电池供电的 LED。 (d) 在 100-2000 mA g^-1 的电流密度范围内运行的完整电池的倍率性能。 (e) 全电池在 100 mA g^-1 下的循环性能和相关 CE。
 
     相关研究工作由郑州大学Ye Wang课题组于2022年在线发表于《ACS Nano》期刊上，原文：3D-Printed Sodiophilic V2CTx/rGO-CNT MXene Microgrid Aerogel for Stable Na Metal Anode with High Areal Capacity。

转自《石墨烯研究》公众号