具有高速率和高體積電容的贗電容電極的設計是一個巨大的挑戰，因為它需要對離子嵌入結構進行微妙的調制，從而能夠同時實現高電化學活性、快速離子傳輸和促進電子轉移。在此，報道了從 B 摻雜 Ti3AlC2 前驅體中對 B 原子進行可控和選擇性蝕刻，從而生成具有精細調節的離子嵌入結構的硼空位摻雜 MXene (B-V-MXene) 納米片。電化學研究和密度泛函理論計算表明，空位周圍的 Ti 比原始 MXene 上的 Ti 具有更高的質子表面氧化還原活性，從而提高了電容。此外，可以優化 B-V-MXene 的層間距以促進質子嵌入。更重要的是，摻雜劑B原子可以增加Ti上的電子密度，有利于插層質子的吸附；此外，B 2p-Ti 3d雜化能帶比C 2p能帶更接近費米能級，這彌補了贗電容反應中電子轉移的能隙。通過所有這些效應的協同作用，新型 B-V-MXene 緊湊電極可以提供以前無與倫比的高體積電容，在 1,000 mV s
−1 時為 807 F cm
−3，在 5 mV s
−1 時為 1,815 F cm
−3，并且具有出色的循環性能超過 10,000 次循環的穩定性。
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Fig 1. 選擇性蝕刻 B-MAX 相中的 B 原子以形成 B-V-MXene。 a）合成硼空位摻雜MXenes的選擇性蝕刻過程示意圖。 b、c、d) 通過 XRD (b)、XPS (c) 和鍵長 (d) 的 DFT 計算，表征不同 B 摻雜劑量的 B 摻雜 MAX 相，與原始 MAX 相比。 e, f, g) 通過 XRD (e)、ICP (f) 和拉曼光譜 (g) 與原始 MXene 進行比較，對 B-V-MXene 進行表征。
Fig 2. B-0.15-d-MXene 納米片及其緊湊電極的結構表征。 a–e) 具有高度剖面的 AFM 圖像 (a)、具有相應元素映射圖像的 STEM (b)、具有 SAED 圖案的 HRTEM 圖像 (c、d) 和 HAADF STEM 圖像 (e)，對于 B-0.15- d-MXene 納米片。 f,g) 柔性 B-0.15-d-MXene 緊湊電極的光學照片 (f) 和橫截面 SEM 以及相應的元素映射圖像 (g)。
Fig 3. B-V-MXene 緊湊電極的電化學性能。 a) 不同 MXene 基電極在 5 mV s
−1 下的 CV 曲線。 b) B-0.15-d-MXene 電極在高倍率下的 CV 和 c) GCD 曲線。 d) 不同 MXene 基電極獲得的重量電容和 e) 體積電容。 f) B-0.15-d-MXene 電極的體積電容與文獻報道的比較。 g) B-0.15d-MXene 電極在 10 A g
−1 下的循環穩定性。
Fig 4. B-V-MXene 緊湊電極的電化學動力學研究。 a–d) 不同 MXene 電極的 EIS (a)、Warburg 阻抗系數 (b)、虛部電容隨頻率的變化 (c) 和 b 值 (d)。 e, f) 不同掃描速率下的 B-0.15-d-MXene 電極的電容和擴散控制電容 (e) 以及 10 mV s
−1 下不同 MXene 電極的比較 (f )。
Fig 5. DFT 分析 B 和空位對電化學性能影響的關鍵作用。 a) 兩層原始 MXene、B-MXene、B-V-MXene 和 V-MXene 納米片的重新堆疊結構的結合能。 b) 贗電容質子化反應前后Ti離子價態變化的Bader電荷分析。 c, d) 質子化前原始 MXene 和 B-MXene 的 PDOS。 e, f) 原始MXene和B-MXene質子化后的差分電荷密度圖，等值為0.0028。
Fig 6. 摻雜劑 B 原子和空位在優化贗插層儲能過程中四個關鍵離子存儲過程中的協同效應。
相關研究工作由鄭州大學Qun Xu課題組于2023年在線發表在《Advanced Functional Materials》期刊上，Revealing High-Rate and High Volumetric Pseudo-Intercalation Charge Storage from Boron-Vacancy Doped Mxenes。
原文：
https://doi.org/10.1002/adfm.202301994
轉自《石墨烯研究》公眾號
