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馮新亮院士AM：末端改變實(shí)現(xiàn)用于超快鈉離子存儲的高容量MXene負(fù)極！

二維過渡金屬碳化物和/或氮化物，即所謂的MXene，已被認(rèn)為是理想的快充陽離子嵌入電極材料，但其比容量有限。

德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮院士等證明構(gòu)建具有氧化還原活性的類偏磷酸鹽PO₂末端是一種有吸引力的策略，可以顯著提高Nb₄C₃ MXene的Na⁺存儲能力。

在這里，通過對由Nb₄C₃T_x MXene和黑磷(BP)組成的混合膜進(jìn)行退火，通過靶向末端轉(zhuǎn)換方法構(gòu)建具有類偏磷酸鹽末端的Nb₄C₃MXene（PO₂-Nb₄C₃）。與傳統(tǒng)的O端 Nb₄C₃（O-Nb₄C₃，96.5 mAh g^-1）相比，PO₂-Nb₄C₃顯示出兩倍的Na⁺存儲容量（221.0 mAh g^-1），超過了大多數(shù)報(bào)道的用于Na⁺存儲的MXenes，這歸因于PO₂末端引起的Nb的額外氧化還原位點(diǎn)和增強(qiáng)的氧化還原深度。

此外，令人印象深刻的是，PO₂-Nb₄C₃的高比容量并沒有犧牲快速充電能力，這可以歸因于四倍富集的載流子密度、增加的電導(dǎo)率（在300 K時增加了12.3 倍）和不衰減的 Na⁺擴(kuò)散能力。PO₂-Nb₄C₃電極在充電時間分別為4.9分鐘和20.4秒時即可達(dá)到容量的80%和51%。

圖1 Na⁺儲存能力

此外，PO₂-末端被證明可以在Na⁺嵌入/脫嵌過程中緩沖Nb₄C₃的內(nèi)應(yīng)力，從而有助于提高循環(huán)壽命（600次循環(huán)后容量不衰減）。與N摻雜的分級多孔碳(NHPC)正極配對后，PO₂-Nb₄C₃電極可進(jìn)一步用于組裝鈉離子電容器器件，其實(shí)現(xiàn)了55 Wh L^-1的最大能量密度以及9765 WL^–1的超級電容器級功率密度。

這項(xiàng)研究揭示了MXene末端的分子級設(shè)計(jì)為同時開發(fā)高容量和快速充電電極提供了機(jī)會，從而緩解了儲能設(shè)備典型的能量-功率權(quán)衡。

圖2 PO₂-Nb₄C₃電極的快速充電能力

Redox-Active Metaphosphate-like Terminals Enable High-Capacity MXene Anodes for Ultrafast Na-ion Storage. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202108682

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