MXene衍生超细氮化钛复合材料的制备及储钠性能研究

来源 :广西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhouheknight
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过渡金属氮化物(TMNs)因具有低而平的充放电电位平台,高度可逆的反应特性与容量大的特点而受到广泛的关注。与块体的TMNs相比,原子薄的粒径尺寸更小的TMNs颗粒具有更大的表面积,丰富的表面活性位点和电荷转移效率高等优势。然而,由于受氮源气氛的限制,以及晶体高温生长导致颗粒尺寸变大的晶体生长理论约束。因此,设计具有包含超小粒径,层次结构和连续导电网络的共价键界面的氮化钛(TiN)基电极仍然是一个很大的挑战。MXene材料由于具有丰富的表面氧化还原反应位点、高的金属电导率以及可控的层间距,已成为能量存储应用的理想选择。本论文以少层Ti3C2Tx MXene作为Ti源,以六亚甲基四胺(HMT)作为碳源和氮源,采用合理设计的界面约束拓扑化学转化方法分别合成了 Ti3C2Tx/C和TiN/C复合材料。研究成果为设计发展新型氮化物负极提供了理论基础和技术支撑。主要研究内容如下:(1)复合负极前驱体的制备:采用HCl/LiF混合溶液对Ti3AlC2 MAX中的Al原子层进行刻蚀,通过持续调整LiF的用量、HCl的浓度、刻蚀反应时间以及后续的超声处理参数,从而合成具有少层结构的Ti3C2Tx MXene纳米片。(2)Ti3C2Tx-HMT复合材料的构筑:从少层Ti3C2TxMXene丰富的表面化学出发,选择六亚甲基四胺(HMT)作为碳源前驱体,通过静电相互作用以及去质子化反应,合成Ti3C2Tx-HMT复合材料,并以-O官能团为桥梁,通过原位热解工艺在Ti3C2Tx表面构筑(Ti3C2Tx)Ti-O-C(碳基质)共价耦合化学键,进一步揭示了该复合界面化学键的形成机理。结果表明,Ti3C2Tx/C-500电极在1.0 Ag-1的电流密度下经过2000次循环后,其可逆比容量高达120 mAh g-1。(3)TiN/C新型复合负极的制备及储钠机理研究:在成功合成Ti3C2Tx-HMT复合材料的基础上,以少层Ti3C2Tx为牺牲模板,HMT作为氮源,通过界面约束拓扑化学转化方法制备了 TiN/C新型复合负极。HMT在高温下不仅抑制了 Ti3C2Tx MXene的氧化,还提供了受限界面空间来限制TiN的各向异性生长。该复合材料在0.5 Ag-1的电流密度下循环5000次,可获得170 mAhg-1的高可逆比容量,即使在2Ag-1的电流密度下循环2000次,可提供146 mAh g-1的高可逆比容量,表现出优异的储钠性能,结合Raman光谱和XRD表征技术共同揭示了 TiN/C复合负极的储钠机理。
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