δ-MnO₂由于其层状结构的特点，引起了作为水性锌离子电池(AZIBs)阴极应用的大量科学研究。然而，由于δ-MnO₂阴极本身的导电性能差和充放电过程中的结构不稳定，导致其较低的速率性能和较差的循环稳定性，阻碍了其进一步的开发和商业应用。在这里，我们报告了通过单层MnO₂和Ti₃C₂T_x MXene纳米片的溶液相组装来制备二维MnO₂/MXene超晶格，其中单层MnO₂纳米片在单层MXene纳米片之间被分离和稳定。MXene纳米片不仅可以作为结构稳定剂来隔离MnO₂纳米片并防止其聚集，还可以作为导电促进剂来加强电导率，从而保持整体结构的稳定，实现电子的快速传递。此外，二维MnO₂/MXene的规律性叠加具有重复的周期性，可导致活性位点高度暴露，促进离子扩散。因此，MnO₂/MXene阴极在AZIBs中获得了0.2 A g⁻¹时315.1 mAh g⁻¹的大容量，5 A g⁻¹时149.8 mAh g⁻¹的突出速率性能，5000次循环后88.1%的容量保留，以及优异的长期循环稳定性。同时，通过电化学测量和密度泛函理论计算，阐明了优越的H+/Zn²⁺扩散动力学和理想的赝电容行为。本研究为AZIBs中锰氧化物基正极材料的创新提供了先进的前景。

 
图1. (a) MnO₂/MXene超晶格合成示意图。(b, c) MnO₂纳米片(b)和PDDA-MXene纳米片(c)的AFM图像和高度图。(d) SEM， (e) TEM， (f) SAED模式，和(g) MnO₂/MXene的HRTEM图像。

 
图2. 二维MnO₂/MXene超晶格的结构表征。

 
图3. 二维MnO₂/MXene超晶格充放电过程中H⁺和Zn²⁺的储存机理研究。

 
图4. MnO₂/MXene阴极的电化学性能。

 
图5。MnO₂/MXene阴极的电化学动力学和DFT计算结果。
 
     相关科研成果由深圳大学物理与光电工程学院Yu Chen和Jun Song等人于2023年发表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.3c07627）上。原文：Atomically Coupled 2D MnO₂/MXene Superlattices for Ultrastable and Fast Aqueous Zinc-Ion Batteries。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c07627

转自《石墨烯研究》公众号