郑州大学:3D打印V2CTxrGO-CNT MXene气凝胶,用于高容量钠金属负极
时间:2022-10-20 10:39 来源:北京永康乐业 作者:admin 阅读:次
近日,郑州大学王烨教授,徐俊敏副教授和新加坡科技与设计大学杨会颖教授合作采用3D打印技术制备了三维分级多孔结构V2CTx/rGO-CNT微网格气凝胶作为钠金属负极电极。采用原位TEM和原位光学显微成像技术,非原位SEM表征及密度泛函理论模拟技术(DFT)研究了V2CTx MXene引导钠沉积的热力学和动力学行为机制。
图1. 3D打印V2CTx/rGO-CNT微格气凝胶电极制备示意图。
利用3D打印技术制备V2CTx MXene微网格结构应用于钠金属负极,具有以下特点:(1)3D打印V2CTx/rGO-CNT分级多孔结构骨架具有大比表面积,可以有效降低电流密度以及提供丰富的钠金属成核位点,抑制钠枝晶。此外,3D打印可以方便的制备人工可调厚度,有效提高钠金属负极面容量。(2)3D打印的V2CTx/rGO-CNT相互连通的导电骨架提高电子导电能力,分级有序人工多孔结构有效加速离子传输速率,提高反应动力学。具有一定机械强度的3D打印骨架为整个电极提供了强有力的支撑,保证在循环过程中电极的完整性。(3)更加重要的是,V2CTx MXene具有丰富的官能团(-O,-F),通过DFT计算表明这些官能团和Na有强的结合能,比如F-Na之间的结合能是-0.77 eV, O-Na的结合能是-1.02 eV,而graphene-Na的结合能仅为-0.06 eV。因此V2CTx MXene具有极高的亲钠性,可以有效引导钠金属均匀沉积。(4)利用原位TEM测试表明钠金属在V2CTx /rGO-CNT的沉积是通过rGO传输,以V2CTx MXene纳米片为中心成核,不断长大并与周围的钠金属不断融合的过程。通过原位光学和非原位SEM证明了3D打印V2CTx/rGO-CNT能够有效抑制钠枝晶。
图2. 3D V2CTx/rGO-CNT微网格电极的结构表征。
电化学测试结果表明,所制备的Na@V2CTx/rGO-CNT负极能够在2 mA cm-2,10 mAh cm-2下稳定循环3000小时。并且能够在5 mA cm-2, 50 mAh cm-2的大容量下稳定循环900小时以上。相关研究成果以“3D-Printed Sodiophilic V2CTx/rGO-CNT MXene Microgrid Aerogel for Stable Na Metal Anode with High Areal Capacity”为题发表在国际顶级期刊ACS Nano上。郑大2020级硕士研究生王子璇为本文第一作者。郑州大学王烨教授,徐俊敏副教授和新加坡科技与设计大学杨会颖教授为共同通讯作者。
图3. V2CTx/rGO-CNT电极的电化学性能测试。
图4. 非原位SEM测试和原位光学显微成像研究钠金属负极在V2CTx/rGO-CNT电极上的沉积行为。
图5. 利用原位TEM分析钠金属在V2CTx/rGO-CNT电极上沉积过程中形貌演变过程。利用DFT计算Na与C(石墨烯)、F(V2CF)和O(V2CO)的结合能。
通过3D打印技术设计的V2CTx/rGO-CNT微网格电极具有分级多孔结构,其提供了较大的比表面积来降低电流密度,在电镀/剥离过程中保持了结构稳定性。V2CTx
MXene表面的官能团具有良好的亲钠性,能够有效的引导钠的均匀沉积和生长。因此所制备的V2CTx/rGO-CNT作为钠金属负极表现出优异的电化学性能。该工作不仅阐明了亲钠V2CTx/rGO-CNT微格气凝胶电极上优越的钠沉积化学,而且为利用3D打印方法制备先进的钠金属负极提供了一种新的途径。文章链接:http://www.biofabrication.cn/a/news/xueshu/2022/1019/1075.html
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