多重范德华(vdW)间隙为通过插层途径设计人工结构和调控所需性能提供了丰富的机会，超越了传统概念的范畴。有趣的是，电化学插层策略可以精确和可逆地调节带电功能物种的插层程度。本研究提出了一种通过电化学插层促进的有效结构编辑方案来工程化MXene层间，最终通过原位构建碳纳米管(CNT)电桥来增强离子存储和传输通道。该方法允许精确调控电化学力以定制材料用于特定应用。深度插层和原位生长过程在MXene和CNT之间建立了稳固的锚定位点和连接枢纽，确保了先进电极材料的结构均一性和稳定性。结果证明了电化学介导的MXene层间纳米工程的有效性，为设计具有定制功能的vdW异质结构提供了多功能方法，可用于能源存储和转换应用。本工作突出了电化学调控在推进下一代能源存储技术材料工程策略中的潜力。
 
 
Fig 1. 通过电化学插层策略跨越 m-MXene 层的 CNT 电桥的示意图制备过程和超级电容器的应用。
 
 
Fig 2. 茂金属插层 m-MXene 的表征和机理。（a） 茂金属插层 m-MXene 在各种电位下的电化学路线的 XRD 图谱。（b） 茂金属插层 m-MXene 的 FT-IR 光谱。（c） [Co（Cp）₂]⁺-m-MXene 通过施加 −1 V 的偏压得到的 EDS 映射图像。（d） Co（Cp）₂ 和 [Co（Cp）₂]⁺ 的插层过程和氧化还原转化机制示意图。（e） 双电极器件的循环伏安法 （CV） 曲线，其中 m-MXene 颗粒作为工作电极，石墨棒作为对电极。使用的二茂铁/二茂铁伪参比显示在面板 （e） 的底部插图中。（f） 原位电化学 XRD 图谱和 （g） 常数 −1 V 偏置下插层过程的等值线图。（h） 通过施加 -1 V 的偏压对插层产物的 Co 2p 截面的 X 射线光电子能谱 （XPS） 光谱。（i） 从 -1 到 -2 V 得出的原始 m-MXene 和茂金属插层 m-MXene 的 Ti K 边缘 X 射线吸收近边缘结构光谱 （XANES），以及 TiO 和 TiO₂ 的光谱.（j） -1.0 V-Co 和 -2.0 V-Co 的小波变换扩展 X 射线吸收精细结构 （EXAFS）。（k） 描述了具有钴烯的 MXene 层的电荷转移特性。在面板中，黄色和青色区域分别代表电子密度的增加和减少。
 
 
Fig 3. 茂金属物种电化学插层过程的 MD 模拟。（a） 基于 MXene 的电化学插层构型的 MD 模拟模型示意图。（b） 电解质组成的原子结构示意图。（c） -1 V 中性和外加偏压下的原子结构示意图，右插图显示了位于 MXene 层之间的钴烯分子的示意图。（d） 电解质 N_电解质的原子序数和 MXene 层之间的净电荷随电极上附加电荷的增加和减少而变化。
 
 
Fig 4. −1 V-CNTs-m-MXene 的表征。（a） −1 V-CNTs-m-MXene 的 SEM 图像。（b） −1 V-CNTs-m-MXene 的 TEM 图像与插图 SAED 图像。（c） m-MXene 和 （d） −1 V-CNTs-m-MXene 的 HR-TEM 图像。（e） −1 V-CNTs-m-MXene 的区域电子能量损失谱 （EELS） 映射图像。Ti：蓝色，C：红色，Co：黄色。（f） −1 V-CNTs-m-MXene 的 EELS 分析。HR-TEM 图像 （g） 并进一步放大了 −1 V-CNTs-m-MXene 之一。（h） 原子分辨率高角度环形暗场 （HAADF） TEM 图像和相应的原子排列。（i，j）分别为 m-MXene 的 HRTEM 图像和相应的应变图。（k，l）分别为 CNTs-m-MXene 纳米片的 HRTEM 图像和相应的应变图。（m） 来自不同偏压的 CNTs-m-MXene 的拉曼光谱和 （n） XRD 图谱。（o） −1 V-CNTs-m-MXene 的 C 1s 截面的 XPS 谱图。
 

Fig 5. 来自各种偏压的 CNTs-m-MXene 的电化学评估。（a） 扫描速率为 20 mV s^–1 时的 CV 曲线。（b） 不同扫描速率下−1 V-CNTs-m-MXene的CV曲线。（c） 制备的 m-MXene-700 和 CNTs-m-MXene 的奈奎斯特图。（d） 测定 m-MXene-700 和 CNTs-m-MXene 从 1 到 20 mV/s 的阳极峰值（放电）电流 （_p） 对数与扫描速率 （ν） 对数的斜率 b 值。（e） CNTs-m-MXene 异质结构电极的电荷转移机制。（f） 不同扫描速率下表面和扩散控制过程对 CNTs-m-MXene 的贡献。（g） CNTs-m-MXene 在 −1.8 和 1.0 V 之间的原位 Ti K-edge XANES 光谱，包括充放电过程中的五个电位点。（h） 全势扫描期间 Ti 边缘能量（从归一化 XANES 光谱的一阶导数获得）与电位的变化。（i） 相应的傅里叶变换 Ti K 边缘 EXAFS 光谱。（j） 原始 CNTs-m-MXene 电极在充放电过程中和五个电位点下的小波变换 EXAFS。
 
       相关研究工作由中科院宁波材料所Kun Liang和温州大学Yao Xiao课题组于2024年联合在线发表在《ACS NANO》期刊上，Facilitating Ion Storage and Transport Pathways by In Situ Constructing 1D Carbon Nanotube Electric Bridges between 2D MXene Interlayers，原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09475

转自《石墨烯研究》公众号