AFM: PTN - MXene：调控离子传输，引领无金属水系锌离子电池新变革

文章总结

研究背景：水系锌离子电池（AZIBs）因成本低、安全性高等优势备受关注，但锌金属阳极存在枝晶生长和腐蚀问题。用 Zn²⁺嵌入阳极制备无金属 AZIBs 是解决途径之一，有机材料虽有应用前景，但存在电导率低和溶解性差等问题。MXene 具有优异性能，构建 MXene / 有机聚合物异质结构可改善电子 / 离子传输，但以往研究忽视了有机 / MXene 复合材料中离子传输行为的调控。

研究内容

制备与结构表征：通过 4,5,8,10 - 萘四甲酸二酐（NTCDA）、对苯二甲酰胺（TA）和 MXene 纳米片原位聚合制备 PTN - MXene。多种表征技术证实其成功合成，该材料具有独特的 2D/2D 层状异质结构，PTN 与 MXene 紧密接触，MXene 层间距增大，比表面积增加，热稳定性良好。

电化学性能测试：PTN - MXene 电极在 0.1 A/g 时比容量达 283.4 mAh/g ，具有出色的倍率性能和循环稳定性，在 10 A/g 下循环 6000 次后容量保持率为 61.2%。其动力学过程以表面控制为主，离子扩散系数较高，优于 PTN 电极和其他报道的电极材料。

离子传输行为研究：改变电解液成分研究发现，PTN - MXene 电极的离子传输行为从 PTN 的 Zn²⁺主导或 MXene 的 H⁺主导转变为 H⁺/Zn²⁺共嵌入主导。DFT 计算表明 PTN - MXene 对 Zn²⁺的吸附能力更强，且存在从 MXene 到 PTN 的电子转移，增强了导电性。

电荷存储机制分析：通过多种原位和非原位表征技术，证实 PTN - MXene 电极在充放电过程中存在 H⁺/Zn²⁺共嵌入机制，表面会可逆地形成和分解锌羟基三氟甲基磺酸盐（ZOF）。

全电池性能评估：以 PTN - MXene 为阳极、普鲁士蓝类似物（PBA）为阴极制备的全电池，平均放电电压约 1.05 V ，能量密度最高可达 72.4 Wh/kg，在 1 A/g 下循环 2000 次后容量保持率为 76.8%，能为温度计设备稳定供电。PTN - MXene 阳极相比锌金属阳极，亲水性更好，能防止锌沉积和析氢反应，界面更稳定。

研究结论：PTN - MXene 有机异质结构为无金属锌离子电池提供了高性能阳极材料，其独特结构促进了电子 / 离子传输，调控了离子传输行为。基于此构建的全电池性能优异，为设计高性能无金属 AZIBs 的阳极材料提供了新思路。

图文简介

PTN - MXene 的合成过程示意图及其在无金属水系锌离子电池中的优势

a) PTN 的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）。b) NTCDA、TA、PTN、PTN - MXene 的傅里叶变换红外光谱（FT - IR）。c) PTN 的固态 ¹³C 核磁共振谱（NMR）。d) NTCDA、TA、PTN、PTN - MXene 和 MXene 的 X 射线衍射图谱（XRD）。e) PTN、MXene 和 PTN - MXene 的高分辨率 C1s 光谱。f) MXene 和 PTN - MXene 的高分辨率 Ti 2p 光谱。g) 扫描电子显微镜图像（SEM）。h、i) PTN - MXene 的透射电子显微镜图像（TEM）和能谱（EDS）元素映射图。

PTN - MXene 电极的机理表征：a) 0.1 A/g 电流密度下的恒电流充放电（GCD）曲线。b) 充放电过程中的原位傅里叶变换红外光谱（FT - IR）。c) 非原位电子顺磁共振（EPR）。d) C1s 的非原位 X 射线光电子能谱（XPS）。e) Zn 2p 的非原位 X 射线光电子能谱。f) 非原位 X 射线衍射（XRD）。g) 原位电化学阻抗谱（EIS）。h) 非原位扫描电子显微镜（SEM）图像。

a) PTN - MXene//PBA 全电池示意图。b) PTN - MXene 电极、PBA 电极以及 PTN - MXene//PBA 全电池的循环伏安（CV）曲线。c) 全电池的倍率性能。d) PTN - MXene//PBA 全电池在不同电流密度下的恒电流充放电（GCD）曲线。e) PTN - MXene//PBA 全电池与其他已报道电池的平均放电电压对比。f) PTN - MXene//PBA 全电池与其他已报道全电池的拉贡（Ragone）图。g) PTN - MXene//PBA 全电池在 1 A/g 电流密度下的长循环性能。h) PTN - MXene//PBA 全电池为温湿度计供电的数码照片。

论文信息

通讯作者：Hui Dou, Xiaogang Zhang