高义华教授、龙飞教授，Advanced Science观点：用于水系微型电池的具有超稳定和快速铵离子存储的MXene集成苝阳极

用于水系微型电池的具有超稳定和快速铵离子存储的MXene集成苝阳极

第一作者：牛珂

通讯作者：高义华*，龙飞*

单位：华中科技大学，桂林理工大学

水系微电池(AMBs)因其安全运行和成本效益而有望成为最有前途的微型储能装置之一。然而，AMBs的性能并不令人满意，这归因于金属离子与电极材料之间的强相互作用。本篇观点首次开发出以NH ₄ ⁺ 作为电荷载体的AMBs，其中以NH ₄ ⁺ 作为电荷载体和PTCDA/Ti ₃ C ₂ T _x MXene阳极的AMBs提供了优异的能量密度和功率密度、循环寿命和柔性。这项工作将为NH ₄ ⁺ 存储材料的开发和AMBs的设计提供策略。

近日，来自 华中科技大学的高义华教授与桂林理工大学的龙飞教授合作 ，在国际知名期刊 Advanced Science 上发表题为 “MXene-Integrated Perylene Anode with Ultra-Stable and Fast Ammonium-Ion Storage for Aqueous Micro Batteries” 的观点文章。该观点文章为了解决以苝-3,4,9,10-四甲酸二酐(PTCDA)为代表的苝材料的低电导率和NH ₄ ⁺ 嵌入/萃取过程中的溶解问题，将Ti ₃ C ₂ T _x MXene引入高导电性和极性表面端子作为导电骨架(PTCDA/Ti ₃ C ₂ T _x MXene)。以 NH ₄ ⁺ 作为电荷载体和 PTCDA/Ti ₃ C ₂ T _x MXene 阳极的 AMB 提供了出色的能量密度和功率密度、循环寿命和灵活性。

以苝为代表的有机材料资源丰富、易于合成，被认为是最有前途的负极材料。苝-3,4,9,10-四甲酸二酐(PTCDA)尽管已表现出良好的NH ₄ ⁺ 存储能力，但仍存在许多挑战，例如电导率低以及离子嵌入/萃取过程中的溶解等。一般来说，有机分子整合到导电骨架上可以有效增强电子传递并保证结构稳定。Ti ₃ C ₂ T _x MXene 作为一种新型二维材料，由于过渡金属的存在，比传统碳基导体具有更好的电导率（约 104 S cm ⁻¹ ）和吸附能力。然后使用溶剂置换合成了Ti ₃ C ₂ T _x MXene/DMF。通过简单的溶液混合和萃取过滤进一步制备了PTCDA/Ti ₃ C ₂ T _x MXene自支撑薄膜。

当PTCDA与Ti ₃ C ₂ T _x MXene的比例为6.0:4.0时，PTCDA/Ti ₃ C ₂ T _x MXene的电化学性能最佳。PTCDA/Ti ₃ C ₂ T _x MXene电极具有超高的循环寿命（15 A g ⁻¹ 电流密度下 10000 个 GCD 循环后为 74.31%）和倍率性能（15.0 A g ⁻¹ 下为 91.67 mAh g ⁻¹ ，即电流密度增加 30 倍时容量保持率为 45.2%）。引入具有高导电性和亲水性的Ti ₃ C ₂ T _x MXene/DMF作为导电骨架可以大大提高PTCDA的稳定性和导电性。

通过DFT计算和不同电荷态下的XPS谱揭示了具有超稳定和快速NH ₄ ⁺ 存储的PTCDA/Ti ₃ C ₂ T _x MXene自支撑薄膜的机理。PTCDA的O原子靠近Ti ₃ C ₂ OH的H原子，相应的吸附能为−5.33 eV，表明其稳定吸附。电荷转移发生在界面处，其中 H 原子主要失去电子，而 C 和 O 原子则获得电子。Ti ₃ C ₂ OH的离子特征和PTCDA的共价特征很明显，其中电子局域化是可见的并且与电荷转移一致。通过异位 XPS 表征研究了其结构演化，在放电过程中，NH ₄ ⁺ 与C=O生成O−N键。在充电过程中，O−N键减少，然后在第二次放电过程中再次增加。在XPS N 1s图像中，401.5 eV处的CO−NH4峰也随着充放电过程发生可逆变化。这表明NH ₄ ⁺ 在储能材料过程中是可逆的。

基于PTCDA/Ti ₃ C ₂ T _x MXene阳极的AMB通过激光雕刻工艺制造，具有优异的能量密度(66.05 µWh cm ⁻² )和功率密度(2.61 mW cm ⁻² )、循环寿命(在电流密度为5.0 mA cm ⁻² 时进行2500个GCD循环后为90.43%)，并且具有柔韧性(180°下为94.79%)。

龙飞 教授简介：男，汉族，1979年生，云南丽江人，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向：化合物半导体薄膜材料和器件研究与开发、精细碳酸钙开发和产业化（包含超细活性碳酸钙、光功能碳酸钙和生物碳酸钙）。第四批和第八批广西特聘专家；广西自然科学基金创新研究团队负责人；首批广西自然科学基金杰出青年基金获得者；入选国家教育部新世纪优秀人才支持计划，广西十百千人才工程第二层次人选，获广西科技进步奖二等奖2项，广西自然科学奖二等奖1项，广西科技进步奖三等奖2项，广西教学成果奖二等奖1项，第十二届广西青年科技奖获得者，第十八届“广西青年五四奖章”获得者。

高义华 教授简介：华中科技大学 二级教授, 物理学院&武汉光电国家研究中心双聘教授, 第16届日本筑波杰出科学家奖获得者(2005年9月30日)，研究成果被选入美国中学化学教科书“Introductory Chemistry: A Foundation”。主要项目为：主持1项新世纪人才基金项目，6项国家自然科学基金的面上项目和参与1项973项目。还主持或参与了其他12个科研项目。共发表SCI文章225篇，其中在Nature；Nat. Commun. 等权威期刊上发表第一或通讯作者文章140篇，IF>10文章59篇。个人名下已培养3名博士后，22名博士和35名硕士。2名团队成员和3名毕业研究生已成为正教授，15名毕业研究生已成为副教授。1篇博士毕业论文获“湖北省优秀博士论文”荣誉。现从事新型纳米光电材料与器件的研究。

牛珂 ，2021年起，于桂林理工大学材料科学与工程学院攻读硕士学位，自2022年7月，在华中科技大学联合培养。他的研究重点是铵离子电池和超级电容器。

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