本文創新性地使用二維MXene (Ta
4C
3)來調節釩氧化物的空間基團和電子性能，并制備了具有3D網絡交聯的MXene/金屬-有機框架(MOF)衍生物VO
2(B)@Ta
4C
3，然后將其用作陰極來改善水性鋅離子電池(ZIBs)的性能。采用HCl/LiF和水熱相結合的方法對Ta
4AlC
3進行腐蝕，得到大量手風琴樣Ta
4C
3，然后在剝離的Ta
4C
3 MXene表面進行水熱生長VMOF。在V-MOF@ Ta
4C
3的退火過程中，Ta
4C
3MXene的加入使V-MOF從凝聚堆積中解放出來，使其顯示出額外的活性位點。更重要的是，Ta
4C
3阻止了復合材料結構中的V-MOF在退火后轉變為空間群Pmmn的V
2O
5，而轉變為空間群C
2/m的VO
2(B)。VO
2(B)用于Zn
2+插層的優勢在于插層過程中可忽略的結構轉換和特殊的隧道運輸通道，其沿B軸的面積為0.82 nm
2。根據第一原理計算，VO
2(B)與Ta
4C
3之間存在較強的界面相互作用，為Zn2+的儲存提供了良好的電化學活性和動力學性能。因此，VO
2(B)@ Ta
4C
3正極材料制備的ZIBs在0.1 A·g
−1時具有437 mA h·g
−1的超高容量，同時具有良好的循環性能和動態性能。本研究為制備金屬氧化物/MXene復合結構提供了一種新的方法和參考。
圖1. VO
2(B)@Ta
4C
3的制備工藝示意圖。
圖2 (a) Ta
4AlC
3、手風琴樣Ta
4C
3和Ta
4C
3納米片的XRD圖案。(b) Ta
4AlC
3的示意性原子結構表示。Ta
4AlC
3 (c)和手風琴樣Ta
4C
3 (d)的SEM圖像。(e) Ta
4C
3納米片的HRTEM圖像、SAED和SEM圖像。
圖3. (a) V-MOF、V
2O
5、V-MOF@Ta
4C
3和VO
2的XRD圖案(B)@Ta
4C
3。(b)退火過程中V-MOF@Ta
4C
3的原位拉曼光譜。(c) VO
2(B)@Ta
4C
3的低倍掃描電鏡圖像和高倍掃描電鏡圖像。(d) VO
2(B)@Ta
4C
3的HR-TEM圖像。(e−i) EDX元素映射圖像VO
2(B)@Ta
4C
3。
圖4 (a) VO
2(B)@Ta
4C
3的XPS譜。Ta4f (b)、V 2p (c)和o1s (d)區域的XPS譜。
圖5 (a) VO
2(B)@Ta
4C
3在1 mV·s
−1的前5個循環的CV曲線。(b) VO
2的前三個循環(b)在0.1 A·g
−1的充放電流量(b) @Ta
4C
3。(c) V
2O
5在1 mV·s
−1的前5個循環的CV曲線。(d)速率性能和(e) VO
2(B)@Ta
4C
3陰極從0.1到2 A·g
−1的充放電電壓。(f) VO
2(B)@Ta
4C
3在0.2 A·g
−1下循環100次的循環性能。VO
2(B)@Ta
4C
3在0.5 (g)和1 A·g
−1 (h)時的長期循環性能。
圖6 (a)不同掃描速率(0.1 ~ 2 mV·s
−1)下VO
2(B)@Ta
4C
3的CV曲線。(b) VO
2(b) @Ta
4C
3的陰極和陽極峰的log(i)對log(v)曲線。(c) V
2O
5在0.1 ~ 2 mV·s
−1不同掃描速率下的CV曲線。(d) Nyquist圖和V
2O
5和VO
2(B)@Ta
4C
3在0.2 A·g
−1循環100個周期前后的等效電路。
圖7 (a) VO
2示意圖(B)@Ta
4C
3。(b) VO
2(b)， Ta4C
3和VO
2(b) @Ta
4C
3的DOS。(c) VO
2(B) @Ta
4C
3的電荷密度差異。(d) Zn
2+在VO
2(B)@Ta
4C
3中的擴散路徑示意圖。(e) VO
2(B)@Ta
4C
3、V
2O
5、VO
2(B)的鋅離子擴散屏障曲線。
相關科研成果由華東師范大學電子系Ke Yu等人2023年發表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c23314)上。原文：Ta
4C
3?Modulated MOF-Derived 3D Crosslinking Network of VO
2(B)@Ta
4C
3 for High-Performance Aqueous Zinc Ion Batteries。
轉自《石墨烯研究》公眾號
