本文创新性地使用二维MXene (Ta₄C₃)来调节钒氧化物的空间基团和电子性能，并制备了具有3D网络交联的MXene/金属-有机框架(MOF)衍生物VO₂(B)@Ta₄C₃，然后将其用作阴极来改善水性锌离子电池(ZIBs)的性能。采用HCl/LiF和水热相结合的方法对Ta₄AlC₃进行腐蚀，得到大量手风琴样Ta₄C₃，然后在剥离的Ta₄C₃ MXene表面进行水热生长VMOF。在V-MOF@ Ta₄C₃的退火过程中，Ta₄C₃MXene的加入使V-MOF从凝聚堆积中解放出来，使其显示出额外的活性位点。更重要的是，Ta₄C₃阻止了复合材料结构中的V-MOF在退火后转变为空间群Pmmn的V₂O₅，而转变为空间群C₂/m的VO₂(B)。VO₂₍B)用于Zn²⁺插层的优势在于插层过程中可忽略的结构转换和特殊的隧道运输通道，其沿B轴的面积为0.82 nm²。根据第一原理计算，VO₂(B)与Ta₄C₃之间存在较强的界面相互作用，为Zn2+的储存提供了良好的电化学活性和动力学性能。因此，VO₂(B)@ Ta₄C₃正极材料制备的ZIBs在0.1 A·g⁻¹时具有437 mA h·g⁻¹的超高容量，同时具有良好的循环性能和动态性能。本研究为制备金属氧化物/MXene复合结构提供了一种新的方法和参考。
 
图1. VO₂(B)@Ta₄C₃的制备工艺示意图。
 
图2 (a) Ta₄AlC₃、手风琴样Ta₄C₃和Ta₄C₃纳米片的XRD图案。(b) Ta₄AlC₃的示意性原子结构表示。Ta₄AlC₃ (c)和手风琴样Ta₄C₃ (d)的SEM图像。(e) Ta₄C₃纳米片的HRTEM图像、SAED和SEM图像。
 
图3. (a) V-MOF、V₂O₅、V-MOF@Ta₄C₃和VO₂的XRD图案(B)@Ta₄C₃。(b)退火过程中V-MOF@Ta₄C₃的原位拉曼光谱。(c) VO₂(B)@Ta₄C₃的低倍扫描电镜图像和高倍扫描电镜图像。(d) VO₂(B)@Ta₄C₃的HR-TEM图像。(e−i) EDX元素映射图像VO₂(B)@Ta₄C₃。
 
图4 (a) VO₂(B)@Ta₄C₃的XPS谱。Ta4f (b)、V 2p (c)和o1s (d)区域的XPS谱。
 
图5 (a) VO₂(B)@Ta₄C₃在1 mV·s⁻¹的前5个循环的CV曲线。(b) VO₂的前三个循环(b)在0.1 A·g⁻¹的充放电流量(b) @Ta₄C₃。(c) V₂O₅在1 mV·s⁻¹的前5个循环的CV曲线。(d)速率性能和(e) VO₂(B)@Ta₄C₃阴极从0.1到2 A·g⁻¹的充放电电压。(f) VO₂(B)@Ta₄C₃在0.2 A·g⁻¹下循环100次的循环性能。VO₂(B)@Ta₄C₃在0.5 (g)和1 A·g⁻¹ (h)时的长期循环性能。
 
图6 (a)不同扫描速率(0.1 ~ 2 mV·s⁻¹)下VO₂(B)@Ta₄C₃的CV曲线。(b) VO₂(b) @Ta₄C₃的阴极和阳极峰的log(i)对log(v)曲线。(c) V₂O₅在0.1 ~ 2 mV·s⁻¹不同扫描速率下的CV曲线。(d) Nyquist图和V₂O₅和VO₂(B)@Ta₄C₃在0.2 A·g⁻¹循环100个周期前后的等效电路。
 
图7 (a) VO₂示意图(B)@Ta₄C₃。(b) VO₂(b)， Ta4C₃和VO₂(b) @Ta₄C₃的DOS。(c) VO₂(B) @Ta₄C₃的电荷密度差异。(d) Zn²⁺在VO₂(B)@Ta₄C₃中的扩散路径示意图。(e) VO₂(B)@Ta₄C₃、V₂O₅、VO₂(B)的锌离子扩散屏障曲线。
 
        相关科研成果由华东师范大学电子系Ke Yu等人2023年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c23314)上。原文：Ta₄C₃‑Modulated MOF-Derived 3D Crosslinking Network of VO₂(B)@Ta₄C₃ for High-Performance Aqueous Zinc Ion Batteries。

转自《石墨烯研究》公众号