山东大学《AEM》：钾离子电池用同系MXene衍生电极！

钾离子电池(PIB)电极材料的开发对于推动其在下一代储能系统中的应用至关重要。尽管金属有机骨架(MOF)是一种很有吸引力的电极材料，但其在PIB中的性能仍然不尽如人意。MOF饱和配位上的低K+吸附能(ΔEa)可以解释吸附容量的限制。

来自山东大学的学者报道了一种由V2CTx(Tx=末端原子)MXene衍生的未被探索的以及节点未被锁定的2D MOF纳米片阳极，将其和K+嵌入的氧化钒纳米带阴极组装而成的PIB。本文之前的研究表明，MXene在制备纳米MOF方面比其他可溶金属前驱体具有优势，因为具有高电负性的均一末端原子能够使有机配体快速去质子化，从而允许与下面的金属原子结合。

本工作进行的具体实现基于以下论点：

1)使用2D MXene作为金属前驱体，它在几何上与2D MOF纳米片和K+插层钒酸盐纳米带相兼容； 2)采用一种高度π共轭的大平面卟啉配体(Meso-四(4-羧基苯基)卟啉，H2TCPP)来构建二维分子轨道，从而保证了离散区域的高电子传导性； 3)用热重-质谱仪(TGA-MS)来了解解锁分子轨道节点所需的条件。节点解锁的MXen基金属氧化物燃料电池阳极具有较高的比容量(在0.05和0.5Ag-1分别为250和185mAhg−1)，大大超过了原始的MXene基金属氧化物燃料电池(MD-MOF)。这与密度泛函理论的计算结果一致，即K+在非锁定结点的ΔEa比未锁定中心和完整结点的Ea要大得多。

此外，由于快速的电容行为和促进电荷转移的主要贡献，NMDMOF负极具有良好的倍率性能(106mA h g−1，5A g−1)和优异的循环稳定性(800次循环后保留率为86.3%)。同时，由NMDMOF阳极和MxXene衍生KxV2O5(MD-KVO)阴极组装的PIB在50 mA g−1时具有63 mA h g−1的激励容量，在110W kg−1的功率密度下具有143Wh kg−1的高能量密度。相应的Mxene衍生电极材料和解锁节点策略可能会启发开发高活性储能电极材料实现。相关文章以“Homologous MXene-Derived Electrodes for Potassium-Ion Full Batteries”标题发表在Advanced Energy Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202200113

图1.MD-MOF的解锁过程示意图，显示了NMD-MOF在释放气态CO2和CO粒子后可能发生的混乱。

图2.a)MD-MOF的TGA-MS图谱。b)MD-MOF、NMD-MOF、MD-MOF-800的X射线衍射谱和模拟结果。c，d)NMD-MOF的横截面扫描电子显微镜图像和高分辨电子显微镜图像.

图3.a)NMD-MOF的变异系数曲线。b)在不同扫描速率下测量的CV曲线。c)b值的计算。d)NMD-MOF和MD-MOF-800的电容式和法拉迪式贡献。e)NMD-MOF的电容贡献。f)NMD-MOF在0.05A g−1下的恒流充放电曲线。g)NMD-MOF和MD-MOF-800的额定性能。h)MD-MOF、NMD-MOF和MD-MOF-800的长期循环性能。

图4.a)充放电过程的Dk+值和GITT曲线插图。b)不同充放电态下MD-MOF和NMD-MOF的Nyquist图。c，d)不同充放电状态下的非原位拉曼光谱和相应的NMD-MOF的ID/IG值

图5.a)由NMD-MOF的静电势绘制的分子等值面图。K+在不同位置的B-e)吸附结构和ΔEa.

图6.a)由NMD-MOF阳极和MD-KVO阴极组装的PIB全电池方案。b-d)全电池的恒流充放电曲线、充放电速率和循环性能。e)Ragone点图。

综上所述，本文制备了V2CTxMXene衍生的MOF纳米片，并解锁了其中的部分节点，以增强K+的存储能力。TGA-MS用于解决NMD-MOF的解锁条件。密度泛函理论计算表明，未锁定位置的K+吸附能比原始位置的K+吸附能有很大提高。因此，NMD-MOF表现出比MD-MOF高得多的容量。此外，由于完整的π共轭链段、主导的电容控制动力学和促进电荷转移，NMD-MOF获得了出色的倍率性能和循环稳定性。此外，采用MD-KVO作为阴极组装PIB，它与NMD-MOF阳极具有良好的兼容性、良好的容量和较高的能量密度。节点解锁策略为其他MOF基活性电极材料的先进储能开辟了道路。（文：SSC）

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