高储锂性能的原子层沉积SnO2/MXene复合材料

MXene是一种新型过渡金属碳化物二维晶体,具有和石墨烯类似的结构。化学式为Mn+1Xn其中n=1、2、3，M为早期过渡金属元素，X为碳或氮元素，Tx为表面官能团（如：–OH， =O和–F）。表面结构和化学能够控制金属离子脱嵌，以优化最佳存储容量和工作电压窗口。因此，表面的化学处理或装饰可以用来提高其在有机电解质电化学性能。其中，Ti3C2 MXene材料因其高电导率和二维结构而被广泛应用在储能设备中，如钠离子电池，锂离子电池和电容器。

近期，阿卜杜拉国王科技大学Husam N.Alshareef等人通过原子层沉积法把SnO2沉积在Ti3C2 MXene材料上，随后进行优化设计，再在表面沉积HfO2，得到HfO2包覆/MXene复合材料，用于锂离子电池负极，表现出优异的电化学性能。在电流密度为500 mA/g下，循环50次后，比容量高达843 mAh/g，容量保持率为92%，体现了良好的储锂性能和循环稳定性。此成果发表在国际期刊Nano Energy上（影响因子：11.553）。

图1. 水热合成法、溅射法和原子层沉积法制备/MXene复合材料示意图。

图2. 不同沉积圈数和温度下，Ti₃C₂MXene电极的电化学性能。（A）CV图；（B）在电流密度100 mA/g下的首圈充放电曲线图；（C）在电流密度下的循环性能图；（D）阻抗图。

图3. /MXene复合材料：（A-B）TEM图和（C）；HfO2包覆SnO2/MXene复合材料：（D-E）TEM图和（F）SAED 图。

对于HfO2//MXene复合材料拥有如此良好的电化学性能，作者做出了解释：（1）SnO2的理论比容量为782mAh/g，在复合材料中提供高的储锂能力；（2）Ti3C2 MXene能提高电极导电性能，并且缓解SnO2在充放电过程的体积膨胀；（3）HfO2钝化层能够减缓SnO2与电解质的反应，在循环过程中保持SnO2晶体结构稳定性。

材料制备过程：

材料：Ti2AlC和TiC（摩尔比：1:1）混合，球磨24h，再在氩气气氛下，1350℃煅烧2.5h，得到颗粒<38um 的Ti3AlC2粉末。2g MAX相粉末加入20mL 48%HF溶液中，搅拌18h。得到的溶液用去离子水洗涤至PH=6，并超声处理。最后，通过真空过滤得到MXene粉末，在70℃的真空干燥箱中干燥，并储存于真空干燥箱中。

原子层沉积：Ti3C2 Mxene，PVDF和SP按质量比80:10:10混合，在NMP溶剂中搅拌。将制备好的浆料涂在铜箔上，在真空下80℃下烘24h。将涂好Ti3C2 Mxene的铜箔放在ALD设备中，进行和 HfO2沉积。（具体操作见原文）

参考文献：

Bilal Ahmed, Dalaver H. Anjum, Yury Gogotsi, Husam N. Alshareef. Atomic layer deposition of SnO2 on MXene for Li-ion battery anodes, Nano Energy 34 (2017) 249–256.

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