【MXene专题】高储钠性能的3D大孔MXene骨架

为了充分发挥其性能优势，人们寻求了许多策略，例如引入夹层隔层和多孔结构。相关的研究表明，在MXene纳米片产生中孔之后，锂离子的存储容量增加了四倍。基于密度泛函理论计算，MXene的层间距离扩大可以实现稳定的多层Na离子吸附，从而显着提高其理论容量。

图1. (a)上述处理的PMMA球体的SEM图像, (b)Ti3C2碎片的TEM图像, (c)Ti₃C₂T_x/PMMA混合物和(d)中空Ti球体在去除PMMA后的SEM图像, (e)中空TI球体和(f)MXene层的TEM图像.

图2. 3D大孔MXene薄膜电极用于钠离子存储时在0.1mV/s下的CV曲线(a)和倍率曲线(b); (c)3D Ti 薄膜电极在不同电流密度下的充放电曲线; (d) 3D MXene薄膜电极与其他报道的材料的容量比较; (e)3D MXene大孔薄膜电极在2.5C下的循环性能.

鉴于此，德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授课题组采用牺牲球形聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板的方法将2D过渡金属碳化物(MXenens)转化为3D大孔骨架。将其应用于钠离子存储方面，表现出极佳的电化学性能。

与此同时，为了展示这种制备方法的普适性，作者同时制备了三种结构类似的MXene材料(V₂CT_x，Mo₂CT_x和Ti₃C₂T_x大孔薄膜)：在0.2C下，Mo₂CT_x、Ti₃C₂T_x和V₂CT_x的可逆容量分别为370mAh/g、330mAh/g和340mAh/g；即使在25C的超高倍率下，三者依然可以输出125mAh/g、120mAh/g和170mAh/g的容量。

合成步骤：

Ti₃C₂T_x空心球的制备：将Ti₃C₂T_x胶体溶液(2mg/mL)和PMMA球分散体(10mg/mL)直接混合在一起，保持搅拌10分钟。 Ti₃C₂T_x与PMMA球的质量比控制在1:10。然后将混合物以3500rpm离心10分钟，固体残余物用蒸馏水洗涤，并以3500rpm再次离心10分钟。之后，收集固体沉淀物，并在60℃下真空干燥10小时，得到Ti₃C₂T_x/PMMA混合球体。然后将这些球体在450℃，氩气下退火1小时以除去PMMA，留下Ti₃C₂T_x空心球体。

3D大孔MXene薄膜的制备：Ti₃C₂T_x与PMMA球的质量比控制在1:4。然后将混合物超声处理10分钟，以确保Ti₃C₂T_x碎片和PMMA球体均匀分散。之后，将混合物通过聚丙烯膜(3501 Coated PP, Celgard LLC, Charlotte, NC)过滤，得到薄膜。将其在空气中室温下干燥10分钟，并从聚丙烯膜上剥离，得到柔性免支撑的Ti₃C₂T_x/PMMA混合物薄膜。最后在氩气下450℃退火1小时以除去PMMA，留下大孔Ti₃C₂T_x薄膜。通过改变所用的Ti₃C₂T_x碎片的量来控制薄膜厚度。通过类似的方法制备具有不同Ti₃C₂T_x/PMMA质量比的3D大孔Ti₃C₂T_x薄膜，V₂CT_x和Mo₂CT_x薄膜。