Adv Sci: 香港理工大学报道电化学制备三维结构MXene和电化学应用

纳米

2020-04-13

MXene是一类二维过渡金属碳化物、氮化物，具有优异的稳定性和导电性，其可能在电催化、能量转化和储存中具有非常高的活性，通常MXene的合成需要使用高毒性的HF，层与层之间的强化学键合作用抑制了MXene的应用，香港理工大学郝建华等报道了不使用氟化物、快速合成MXene材料的方法（在稀盐酸中电解），作者通过MXene材料出发实现了1D组装结构材料。合成的MXene材料能够负载在柔性基底上，同时能够提高催化剂的电化学面积。这种复杂结构实现了提高分解水制备H₂/O₂的动力学过程，改善了Zn离子传输过程，连续电催化反应显示，这种复杂结构的MXene展现了在236 mV中稳定工作24 h，并且在制备的柔性Zn离子电池中展现了420 W kg^-1高能量密度，且稳定工作150个循环。

本文要点：

（1）材料合成步骤。通过电化学刻蚀方法（electrochemical etching, E-etching）合成复杂结构的MXene。将Nb₂AlC在50 ℃中6 M KOH溶液中搅拌4 h，随后混合5 %炭黑材料。将MAX相材料（95 %，加入5 %炭黑）分散在1 % PVA中，混合均匀并负载在CFC基底上。通过电化学阳极氧化法在1 V电压的0.5 M HCl电解液中氧化在阳极Al上，随后将Al刻蚀。

合成二维结构的MXene。类似于上面的方法，但是合成二维结构MXene不需要NaOH水解过程。

合成Co³⁺/Fe³⁺/Ni²⁺@Nb₂CT_x材料。将MXene分散在NaOH溶液中，Co³⁺/Fe³⁺/Ni²⁺等过渡金属与MXene混合多次，并用H₂O清洗。

（2）通过电化学阻抗测试了材料导电性能，结果显示材料展现了缩小的半圆，说明体现更大的表面积，高频区域信号显示界面离子传输和离子迁移性能提高，溶液/材料界面Warburg电阻降低。N₂吸附测试显示复合材料具有更高的表面积。

（3）分解水性质测试。ECSA（电化学表面积）测试显示，复杂结构Nb₂CT_x材料是Nb₂CT_x纳米棒的14倍，提高的电化学表面积改善了催化分解水活性，他们的催化分解水活性在10 mA cm^-2时，分别为322 mV和440 mV。在酸性和碱性环境中，合成的复杂结构都体现了更高的催化活性。本文中的水分解过电势接近理论值0.4 V。

作者制作了Zn离子电池，电压为0.6 V。测试结果显示，3D复杂结构提高了离子传输过程，并且电池的活性得以提高（在300 mA g^-1时，由50 mAh g^-1提高至100 mAh g^-1），说明了电极得以改善。作者通过CV测试验证了3D结构的材料改善了电化学活性，这是通过动力学过程作用的结果。总之，这种3D结构实现了更多的电化学活性位点，改善了Zn的传输。

参考文献

Sin‐Yi Pang; Weng‐Fu Io; Lok‐Wing Wong; Jiong Zhao; Jianhua Hao*

Efficient Energy Conversion and Storage Based on Robust Fluoride‐Free Self‐Assembled 1D Niobium Carbide in 3D Nanowire Network, Adv. Sci. 2020 

DOI：10.1002/advs.201903680

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201903680

作者介绍

郝建华是香港理工大学应用物理学系教授兼任副主任和研究委员会主席。郝教授在华中科技大学获得学士，硕士和博士学位。在华中科技大学，美国宾州州立大学，加拿大圭尔夫大学和香港大学工作后，2006年开始执教于香港理工大学。郝教授发表过大约220篇SCI国际杂志学术论文，ESI材料科学高被引科学家之一。获得过“香港理工大学学院研究学术杰出成就个人奖”，“纳米科学研究领先奖”，“材料研究贡献奖”，“45届日内瓦国际发明特别优异奖和金奖”等奖项。他是几个国际杂志的编委/高级编辑，例如Wiley出版社的“先进光学材料”，曾是香港物理学会的副主席（2015-2017）。他是许多国际会议的主席/分会主席/组委，并在众多大会上作过大会/主题/邀请报告。

       郝教授目前主要研究兴趣包括（1）用于光电子，能源和生物医学的发光学和发光材料；（2）功能薄膜，二维层状材料和异质结。

主页：http://ap.polyu.edu.hk/apjhhao/