《Chemical Engineering Journal》：光子燒結(jié)處理將致密MXene薄膜瞬時(shí)結(jié)構(gòu)化為用于鋰離子電池陽(yáng)極的多孔MXene/TiO2納米復(fù)合材料（IF=15.17）

背景：

MXenes，二維金屬碳化物和氮化物，因其在各種儲(chǔ)能系統(tǒng)中的顯著性能而被認(rèn)為是一類新型電極材料。此外，獨(dú)特的性質(zhì)和形貌使得MXenes可以組裝成獨(dú)立的薄膜，可應(yīng)用于輕質(zhì)、高能量密度的儲(chǔ)能器件。然而，它們的重新堆疊和聚集傾向仍然是增強(qiáng)MXene電化學(xué)性能的挑戰(zhàn)。在這項(xiàng)研究中，我們提出了一種借助光子燒結(jié)制造多孔MXene-TiO2獨(dú)立式陽(yáng)極的簡(jiǎn)便方法。只需用光子燒結(jié)在幾毫秒內(nèi)加熱MXene薄膜即可增加MXene的層間距，同時(shí)在MXene表面形成TiO2。隨著中間層的加寬和TiO2的形成，潤(rùn)濕性得到改善，電解質(zhì)易于滲透，電極電阻降低。因此，這種獨(dú)立式陽(yáng)極在0.05A/g電流下的Li+存儲(chǔ)容量(148 mAh/g)比原始MXene薄膜(3mAh/g)高出近50倍，并且具有高達(dá)1500次循環(huán)的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性而不會(huì)降解。

文獻(xiàn)介紹：

鋰離子電池（LIB）的發(fā)明對(duì)儲(chǔ)能行業(yè)產(chǎn)生了令人難以置信的影響。這些電池廣泛用于多種應(yīng)用，包括便攜式電子產(chǎn)品例如智能手機(jī)和筆記本電腦、手持設(shè)備、電動(dòng)汽車以及更廣泛的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。然而，盡管它們用途廣泛，但在能量密度、安全性和充電速度方面仍有巨大的改進(jìn)潛力。此外，隨著能量存儲(chǔ)設(shè)備的使用多樣化，涵蓋可穿戴醫(yī)療設(shè)備、智能服裝和可彎曲顯示器等應(yīng)用，開發(fā)不僅靈活、重量輕，而且能保持高電化學(xué)性能的系統(tǒng)變得令人期望。

在這方面，MXenes、二維(2D)過(guò)渡金屬碳化物和氮化物已成為新型電極材料的重要候選者。MXenes主要通過(guò)選擇性刻蝕MAX相中的A層（多為Al、Si、Zn、Ga等）的方法制造，其中M代表過(guò)渡金屬（Ti、V、Mo、Nb等），X是碳和/或氮。合成的MXenes的化學(xué)式為Mn+1XnTx（n = 1、2或3），Tx表示表面末端（–OH、-O、-F等）。由于其結(jié)構(gòu)和表面功能端接，它們表現(xiàn)出獨(dú)特的性能組合，包括高電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性、卓越的機(jī)械性能和高比表面積。特別是，MXene基材料的獨(dú)特性能使其成為潛在的下一代電極材料；(1)MXene可以通過(guò)層間空間內(nèi)的快速鋰化/脫鋰過(guò)程來(lái)存儲(chǔ)離子。此外，源自過(guò)渡金屬的MXene的高電導(dǎo)率有助于實(shí)現(xiàn)高倍率性能，顯示出作為電極材料的廣闊潛力。因此，MXene有望通過(guò)增強(qiáng)電導(dǎo)率、減少極化和增強(qiáng)電池的整體循環(huán)穩(wěn)定性來(lái)提高電池的整體性能。事實(shí)上，MXene被用作各種儲(chǔ)能系統(tǒng)的電極，例如鋰離子電池、鈉離子電池和超級(jí)電容器。(2)連續(xù)蝕刻的MXenes膠體溶液含有分散的MXene薄片，可以很容易地組裝成獨(dú)立的薄膜。因此，借助MXenes，通過(guò)真空過(guò)濾、涂層和印刷等方法可以方便地制造獨(dú)立式電極。這些MXene薄膜具有高導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，非常適合用于輕型儲(chǔ)能設(shè)備，并且可以用作陽(yáng)極，無(wú)需金屬集流體或粘合劑。

到目前為止，人們已經(jīng)嘗試了各種方法在電極中使用MXene，并通過(guò)結(jié)構(gòu)控制、表面/界面改性和創(chuàng)建MXene基復(fù)合材料進(jìn)行了進(jìn)一步的修飾以增強(qiáng)MXene的電化學(xué)性能。然而，MXene在實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用之前，必須克服一些挑戰(zhàn)。

與MXene相關(guān)的主要問(wèn)題之一是它們傾向于重新堆疊和聚合。在這種情況下，堆疊的MXene嚴(yán)重阻礙電解質(zhì)的滲透并阻礙離子擴(kuò)散，導(dǎo)致離子存儲(chǔ)能力受到限制。避免這些問(wèn)題的大部分努力涉及通過(guò)模板輔助方法、組裝方法和冷凍干燥方法等方法合成多孔3D結(jié)構(gòu)。Liu等人以硫?yàn)槟０搴铣闪?D多孔MXenes，隨后在氬氣氣氛下通過(guò)300℃熱處理將其去除。受益于其結(jié)構(gòu)，保證了離子傳輸?shù)碾娊赓|(zhì)通道和更多的活性位點(diǎn)。Ma等人合成了MXene rGO雜化薄膜，通過(guò)將氧化石墨烯與MXene組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)3D微孔結(jié)構(gòu)。Liu等人還利用Fe(OH)3納米粒子作為模板制備了納米多孔MXene薄膜。然而，這些方法通常被證明既耗時(shí)又復(fù)雜，并且可能需要額外的材料。 

本研究提出了一種簡(jiǎn)便的制備多孔MXene-TiO2薄膜的方法，克服了先前研究的復(fù)雜性和耗時(shí)的過(guò)程，同時(shí)提高了電化學(xué)性能。我們的方法采用強(qiáng)脈沖光(IPL)過(guò)程，也稱為光子燒結(jié)過(guò)程，它利用來(lái)自氙燈的短脈沖白光，覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光范圍，僅包含少量紫外線和近紅外光。傳統(tǒng)上，光子燒結(jié)工藝快速加熱目標(biāo)材料，同時(shí)最大限度地減少對(duì)基材的損壞，使其成為依賴熔爐的傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)的理想替代方案。該過(guò)程可以在室溫和環(huán)境條件下在幾毫秒內(nèi)燒結(jié)金屬納米粒子。 因此，該技術(shù)具有雙重優(yōu)勢(shì)；它促進(jìn)了MXene薄膜中多孔結(jié)構(gòu)的形成，同時(shí)通過(guò)在空氣環(huán)境中調(diào)節(jié)光子燒結(jié)功率，可以在其表面上控制TiO2的形成。 

使用經(jīng)過(guò)光子燒結(jié)處理的獨(dú)立式MXene-TiO2薄膜作為陽(yáng)極具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，在瞬間，當(dāng)MXene表面的一部分發(fā)生氧化并轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚圆牧蠒r(shí)，它允許TiO2大量分散，并使MXene-TiO2界面面積最大化?，F(xiàn)有通過(guò)混合MXene和鈦前驅(qū)體形成MXene-TiO2的方法工藝復(fù)雜，且通過(guò)熱處理的氧化方法難以控制氧化程度。然而，這種方法可以通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)程輕松地將部分MXene氧化為納米級(jí)的TiO2。同時(shí)，形成多孔結(jié)構(gòu)提高了電子轉(zhuǎn)移效率，增強(qiáng)了離子擴(kuò)散，并表現(xiàn)出高容量。此外，它是一種通用方法，也可以應(yīng)用于其他基于過(guò)渡金屬的MXene。通過(guò)首次使用MXene實(shí)現(xiàn)光子燒結(jié)工藝，我們的方法為復(fù)雜且耗時(shí)的技術(shù)提供了一種有前途的替代方案。它為制造用作LIB陽(yáng)極的高性能多孔MXene-TiO2薄膜提供了一種簡(jiǎn)單而有效的解決方案。結(jié)果，優(yōu)化后的光子燒結(jié)MXene薄膜的比容量比原始MXene薄膜高50倍，并且穩(wěn)定運(yùn)行1500次循環(huán)而沒(méi)有容量下降。

引用：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724010830