山大吴昊教授AEnM:Mxene衍生电极材料用作钾离子全电池

发布日期:2022-05-18

核心提示:由于钾元素储量丰富(约为锂的850倍)且氧化还原电位较低(与锂接近),因此钾离子电池被视为下一代储能系统的重要组成之一,其
 由于钾元素储量丰富(约为锂的850倍)且氧化还原电位较低(与锂接近),因此钾离子电池被视为下一代储能系统的重要组成之一,其电极材料的研发也备受关注。研究表明,由金属离子/团簇与有机配体通过共价键连接组成的金属有机骨架(MOF)是一类极具潜力的电极材料。但MOF节点处的原子通常为饱和配位,导致了较低的钾离子吸附能,从而极大地限制了其应用。
 
近日,山东大学吴昊教授课题组等人提出了一种解锁部分MOF节点的策略,用于提高钾离子吸附能,从而实现钾离子存储容量的大幅提升。采用同源的MXene制备了高性能钾离子电池正极和负极材料,并组装钾离子全电池,展现出高能量密度和功率密度,推进了新储能系统的发展。该成果以“Homologous MXene-Derived Electrodes for Potassium-Ion Full Batteries”为题发表在国际著名期刊Advanced Energy Materials上,并被选为封底。
 
 
【本文要点】
 
1. 采用二维金属碳化钒MXene作为前驱体制备了MOF纳米片,并在热重-质谱联仪指导下通过简便热处理解锁了MOF的部分节点(NMD-MOF),将其作为钾离子电池负极时,比容量得到显著提高。密度泛函理论计算表明,解锁后的节点处钾离子吸附能明显增大,解释了容量提升的根本原因。
 
 
2. 同种MXene通过简单的水热处理制备了钾离子插层的氧化钒纳米带(MD-KVO),将其作为钾离子电池正极材料,展现出较好的钾离子储存能力。
 
 
3.同源MXene衍生的负极(NMD-MOF)和正极材料(NMD-MOF)组装成钾离子全电池,二者表现出较好的兼容性,也展现出较高的能量密度(143 Wh Kg-1)和功率密度(440 W Kg-1)。
 
 
本研究为高性能钾离子电极材料的开发提供了重要参考价值,同时拓展了MXene材料的应用。
 
 
Lanju Sun, Jikai Sun, Shengliang Zhai, Tiantian Dong, Hongyan Yang, Yi Tan, Xu Fang, Chengcheng Liu, Wei-Qiao Deng, Hao Wu*, Homologous MXene-Derived Electrodes for Potassium-Ion Full Batteries, Adv. Energy Mater., 2022.
 
DOI:10.1002/aenm.202200113.
 
 
作者介绍
 
吴昊,前沿交叉科学青岛研究院教授,博士生导师,山东省高层次人才,入选山东大学“齐鲁青年学者”第一层次。2016年于复旦大学获博士学位,并荣获复旦大学“优秀毕业生”,导师为郑耿锋教授。2016.11-2020.09曾先后在新加坡国立大学(合作导师:Ghim Wei Ho教授)和阿卜杜拉国王科技大学(合作导师:Husam N. Alshareef教授)从事博士后研究员工作。目前主要从事功能纳米材料的设计及其电化学催化和能量转化研究工作,致力于在原子和分子尺度对功能材料的结构、界面以及电子结构进行调控,探索制备新策略,以及MXene基复合材料以及杂化材料体系的相关研究。以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.(5篇)以及InfoMat等权威期刊上发表系列文章,获评Nano Research“年度Top Paper” 论文1篇。曾担任国际期刊"Research and Application of Materials Science"编委。

 
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