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石河子大学陈龙团队Nano Res.：MOF衍生Se掺杂MnS/Ti3C2Tx阴极和Zn-Ti3C2Tx阳极组成摇椅锌离子电池

时间：2023-10-31 来源：浏览：

石河子大学陈龙团队Nano Res.：MOF衍生Se掺杂MnS/Ti3C2Tx阴极和Zn-Ti3C2Tx阳极组成摇椅锌离子电池

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石河子大学陈龙课题组最新学术成果与研究进展，以及本科生及研究生教育、学科竞赛等

【背景介绍】

由于电动汽车，航空航天和电网的发展迫切需要低成本，高安全性，大容量的储能系统，这推动了锌离子电池（ZIBs）的发展。在各部分中，正极材料对电池性能起决定性作用。到目前为止，已经开发了用于ZIBs的正极材料，包括普鲁士蓝类似物（PBA），钒基化合物，锰基化合物，有机阴极和有机-无机杂化材料。MnS作为一种重要的锰基材料因导电性差以及复杂的储能机制而鲜有报道。研究发现通过杂原子掺杂和高导电材料复合能有效提升导电性和暴露活性位点。

【成果展示】

近日，石河子大学化学化工学院陈龙教授团队发表了研究性文章，该论文设计了一种Mn-BTC/Ti ₃ C ₂ T _x 衍生Se-MnS/Ti ₃ C ₂ T _x 复合材料，用于电池正极；系统研究了Se掺杂和Ti ₃ C ₂ T _x 复合对MnS储能性能的影响。在0.3 A g ^-1 时，比容量可以达到431.0 mAh g ^-1 。将ZnSO ₄ 添加到Ti ₃ C ₂ T _x 悬浊液中抽滤成膜，用于电池负极；组装成摇椅式全电池，展现出优异的容量和循环稳定性。同时，对 Se-MnS/Ti ₃ C ₂ T _x 的储锌机理进行了研究。相关文章以“ MOF-derived Se doped MnS/Ti ₃ C ₂ T _x as cathode and Zn-Ti ₃ C ₂ T _x membrane as anode for rocking-chair zinc-ion battery ”为题发表在 Nano Research （IF=9.9）上。本文第一作者为石河子大学化学化工学院孙开胜，通讯作者为陈龙教授，通讯单位为石河子大学。

【图文导读】

图1. Se-MnS/Ti ₃ C ₂ T _x 材料合成。

图2. Se-MnS/Ti ₃ C ₂ T _x 形貌表征。MnS颗粒负载在Ti ₃ C ₂ T _x 纳米片上，抑制了团聚现象。

图3. XRD,XPS表征。证实MnS与Ti ₃ C ₂ T _x 成功复合以及Se掺杂。

图4. 电化学性能测试。

图5. Se-MnS/Ti ₃ C ₂ T _x 储能机理研究。提出了首次充电过程中MnS的转化反应和S/Se离子的原位掺杂。验证H ^+/ Zn ²⁺ 共嵌入的储能机理。

图6. Se-MnS/Ti ₃ C ₂ T _x 动力学测试。

图7. 摇椅式全电池测试。Zn-Ti ₃ C ₂ T _x 膜作为电池负极组装成摇椅式全电池，表现出良好的储能性质，进一步拓宽了应用。

【结论】

实验结果表明，Se 掺杂会诱导 S 缺陷，从而提高 MnS 的本征电导率,为锌离子存储提供更多的活性位点，并促进反应动力学。Ti3C2Tx 的引入有利于避免 MnS 颗粒的团聚，提高 S 缺陷的利用率，并进一步增加活性面积。在电流密度为 0.3 A g-1 时，比容量高达 431.0 mAh g-1。揭示了Se-MnS/Ti3C2Tx 在第一次充电时被原位电化学活化为S/Se共掺杂Mn3O4的独特机理。此外，还制备了独立的Zn-Ti3C2Tx膜电极，并将其与Se-MnS/Ti3C2Tx阴极组装成摇椅型全电池，显示出卓越的速率性能。这项工作为拓宽锰基储锌材料的设计思路提供了新的方向。

K. Sun, Z. Xiao, Y. Shen, H. Lv, J. Zhu, J. Pang, Y. Zheng, W. Kong, L. Chen, MOF-derived Se doped MnS/Ti ₃ C ₂ T _x as cathode and Zn-Ti ₃ C ₂ T _x membrane as anode for rocking-chair zinc-ion battery, Nano Res, DOI: 10.1007/s12274-023-6207-8.

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