中国石油大学（华东）AFM：杂多酸与MXenes化学键合实现高载量下赝电容储锂/钠

【研究背景】

清洁电能的大规模利用极度依赖高性能储能器件，而发展符合使用要求的下一代储能器件亟需具有高容量、高倍率储锂/钠特性的电极材料。在这一趋势下，赝电容型负极材料的开发成为了储能材料重点关注的方向。杂多酸团簇具有接受和存储多个电子的能力，被称为“电子海绵”，是近年来广受关注的一种新型储锂/储钠材料。此外，杂多酸团簇颗粒结构高度可调，易于实现赝电容特性。然而，基于杂多酸的电极材料仅能在低载量下实现高容量和高倍率；另外，杂多酸不稳定，在电化学储锂/钠过程中结构容易破坏。如何在高载量下发挥杂多酸结构可调、氧化还原特性丰富的优势，同时提高其稳定性仍充满挑战。

【工作介绍】

近日，中国石油大学（华东）胡涵教授、吴明铂教授等充分分析了杂多酸的生长过程，提出在制备杂多酸的弱酸性条件下引入MXene诱导杂多酸前驱体离子的吸附、杂多酸成核以及可控生长；通过杂多酸与MXene之间的化学键合作用提升杂多酸的稳定性，利用MXene与杂多酸原位组装形成的复合结构协同电子传导与离子输运；基于杂多酸与MXene间协同作用实现了高载量下的赝电容储锂/钠，所构筑的锂离子电容器和钠离子电容器均表现出优异的性能。该工作发表在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials上，中国石油大学（华东）化工学院博士研究生晁会霞为本文第一作者。

【内容表述】

MF POMs/MXenes（钼铁杂多酸及MXene复合材料）的合成过程充分利用了两种原料溶液分散性好以及酸性条件下稳定的特征，将MXene直接引入生长杂多酸的溶液中静置即可得到复合材料。从图1可以看出，杂多酸纳米颗粒均匀分撒在MXene纳米片上。 

图1. MF POMs/MXenes（钼铁杂多酸及MXene复合材料）的合成及结构表征

XRD充分证实成功得到了复合结构，Raman以及XPS表征说明两者之间形成了化学键合作用（图2），有利于提高材料在储锂/钠过程中的稳定性。 

图2. 复合材料的结构表征

对复合材料全面的电化学分析表明该材料具有高容量、高倍率以及高稳定性等特征（图3）。另外，当活性物质载量提高时，复合材料的质量容量并没有剧烈衰减。因此，这种复合材料还表现较高的面积容量。

图3. 复合材料的储锂性能

采用MF POMs/MXenes作为负极材料，活性炭作为正极材料所构筑的锂离子电容器性能如图4所示。该器件在不同电流密度下充放电曲线良好的对称性说明两个电极匹配性好，所构筑的器件具有优异的性能。 

图4. 以MF POMs/MXenes作为负极材料构筑的锂离子电容器性能

进一步分析了MF POMs/MXenes的电化学储钠特性，结果表明该材料可以在高载量下实现高容量、高倍率等特性，且循环性能良好，是一种极具潜力的高性能赝电容型储钠材料。 

图5 MF POMs/MXenes的储钠特性

使用MF POMs/MXenes作为负极材料，活性炭作为正极材料的钠离子电容器性能如图6所示。恒流充放电曲线高度对称，说明负极材料的赝电容特性明显，很好地消除了与电容型正极间的动力学差距，所构筑钠离子电容器具有优异的综合性能。 

图6 基于MF POMs/MXenes负极的钠离子电容器

作者开发了一种简易的原位合成策略，在MXene上锚定了Mo、Fe杂多酸。小尺寸杂多酸丰富的氧化还原特性赋予了复合材料高容量以及高倍率，而与MXene之间的化学键合作用提高了杂多酸的稳定性，实现了长循环。另外，所构筑的复合结构有效协同了电子传输与离子输运，可在高载量下实现这些优异的性能。本研究所开发的简易方法可为高性能储能材料的开发提供新的思路。

Chao, H., Qin, H., Zhang, M., Huang, Y., Cao, L., Guo, H., Wang, K., Teng, X., Cheng, J., Lu, Y., Hu, H., Wu, M., Boosting the Pseudocapacitive and High Mass‐Loaded Lithium/Sodium Storage through Bonding Polyoxometalate Nanoparticles on MXene Nanosheets. Adv. Funct. Mater. 2021, DOI:10.1002/adfm.202007636