水系锌离子电池 (AZIBs) 是极具吸引力的储能装置，它受益于提高的安全性和可忽略的环境影响。 V2O5 基正极很有前景，但钒的溶解是实现其在 AZIB 中稳定性能的主要挑战之一。在此，我们通过范德华自组装方法在 V2O5 纳米板 (VPMX) 表面设计了一个 Ti3C2Tx MXene 层，用于在电化学过程中抑制钒的溶解，从而大大提高锌离子的存储性能。与传统的 V2O5/C 复合材料不同，我们证明了 VPMX 杂化物为实现高性能 AZIB 提供了三个显着特征：（i）阴极表面的 MXene 层保持结构完整性并抑制 V 溶解； (ii) V2O5 和 MXene 之间的异质界面能够改善主体电化学动力学； (iii) 由于 VPMX 阴极中的润滑水分子，主体层之间存在减少的静电排斥，促进界面 Zn2+ 扩散。因此，制成的 VPMX 正极显示出超过 5000 次循环的长期循环稳定性，超过了其他报道的基于 V2O5 的材料。特别是，我们发现 V2O5 和 MXene 之间的异质界面以及主体中的润滑水分子可以提高 AZIBs 的倍率性能（5.0 A g-1 时为 243.6 mAh g-1）。
  
Figure 1. V2O5纳米板/MXene杂化物的制备和形貌。 (a) V2O5 纳米板/MXene 杂化物的合成示意图。 (b) V2O5 纳米板的 SEM、(c) HRTEM 和 (d) SAED 图像。 VPMX73 的 (e, f) SEM、(g) HADDF-STEM 和 (h-j) 元素映射图像。 


Figure 2. 样品的结构表征。 (a) XRD 图案和 (b) 所有样品的拉曼光谱。 (c) MXene 和 (d) VPMX73 的 C 1s XPS 曲线。 (e) MXene 和 (f) VPMX73 的 Ti 2p 轮廓。 (g) 不同电极与电解质之间接触角的光学图像。
 
 
Figure 3. VPMX73 阴极的锌存储行为的原位 XRD 表征。 (a) 具有相应电压分布的原位 XRD 表征的等高线图和 (b) 选择性衍射图案。 (c) 显示 VPMX73 中可逆 Zn2+ 和水嵌入/脱嵌的方案。 
 
Figure 4. 锌存储性能和 MXene 抑制 V2O5 纳米板/MXene 混合物中的 V 溶解。 (a) VPMX73 在 100 mA g-1 时的电压曲线，(b) 所有样品的倍率容量 (0.1-5 A g-1)，和 (c) 在 10 A g-1 电流密度下的循环性能所有样品。 (d) V2O5 纳米板和 V2O5 纳米板/MXene 阴极在循环后在 3 M Zn(CF3SO3)2 中的 V 溶解结果以及在不同浸泡时间下浸入 3 M Zn(CF3SO3)2 水溶液中的电极的相应 (e) 光学图像。 (f) V2O5 纳米板和 V2O5 纳米板/MXene 混合阴极的水性电解质中 V 溶解的图示。 
 
Figure 5. V2O5纳米板/MXene杂化物的理论模拟和电化学动力学分析。(a) ORCA理论模拟了MXene对电解质中钒离子的吸附。(b) VPMX73阴极在从0.3到2.0 mV s-1的不同扫描速率下的CV。(c) VPMX73的CV，在1.0 mV s-1时阴极过程的表面主导容量贡献，以及 (d) 在不同扫描速率下的容量贡献比例。(e) V2O5-MXene异质界面处中空，Ti顶部，C顶部和O位置处的锌吸附能量直方图。(f) 2O5-MXene异质界面的电荷密度差。(g) V2O5/MXene的DOS图。(h) 锌扩散途径和相应的扩散能垒分布。
 
      相关研究工作由北京大学Shaojun Guo和北京化工大学Bin Xu课题组于2022年共同发表在《ACS NANO》期刊上，原文：an der Waals Interaction-Driven Self-Assembly of V2O5 Nanoplates and MXene for High-Performing Zinc-Ion Batteries by Suppressing Vanadium Dissolution。

转自《石墨烯研究》公众号