我院院長唐少春教授和南理工朱俊武教授團(tuán)隊(duì)合作在鋰離子電池研究方面取得新進(jìn)展

第一作者：牛日超，韓如冰

通訊作者：唐少春,，朱俊武

通訊單位：南京大學(xué),，江蘇，210093

南京理工大學(xué),，江蘇,，210094

海安南京大學(xué)高新技術(shù)研究院，江蘇，226600

論文DOI：10.1016/j.jpowsour.2022.231738

全文速覽：

石墨烯的制備通常是將氧化石墨烯在水合肼等強(qiáng)還原劑輔助下液相化學(xué)還原,。然而,，強(qiáng)還原劑大多毒性大、易污染,，且傳統(tǒng)方法導(dǎo)致石墨烯存在缺陷多、產(chǎn)率低,、能耗高,，反應(yīng)時間長等缺點(diǎn)。近日,，我院院長唐少春教授團(tuán)隊(duì)與南京理工大學(xué)朱俊武教授團(tuán)隊(duì)合作,，設(shè)計(jì)并開發(fā)出一種微波加熱瞬間還原氧化石墨烯的快速新途徑，以二維MXene作為復(fù)合組分同時起到增強(qiáng)吸波作用,，成功制備出高比表面積TiO₂-MXene/graphene復(fù)合電極材料,，顯著提升了鋰離子電池的性能。該工作創(chuàng)新點(diǎn)包括：（1）MXene具有強(qiáng)吸波性,，在超低微波功率（僅200 W）下,，10秒內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯還原，微波功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)報(bào)道的1000 W,；（2）避免了二維材料的堆疊,，多孔MXene/graphene復(fù)合材料擁有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、豐富活性位點(diǎn)和離子擴(kuò)散通道,；（3）MXene和graphene具有良好的電子/離子電導(dǎo)率,，在50 mA g^-1高電流密度下比容量達(dá)到356 mAh g^-1，相比純石墨烯,、MXene和文獻(xiàn)報(bào)道的MXene/石墨烯復(fù)合材料具有更優(yōu)異的倍率性能,。

圖1. 氧化石墨烯GO和MXene混合粉末，經(jīng)微波加熱瞬間還原快速合成TiO₂/MG復(fù)合材料的流程示意圖,。

圖2. (a)GO和MXene混合粉末的SEM圖(微波加熱前),，(b)反應(yīng)容器微波加熱瞬間的照片，(c-e) TiO₂/MG復(fù)合產(chǎn)物在不同放大倍率下的SEM圖像,。

圖3. (a) TiO₂/MG復(fù)合材料,，(b) TiO₂納米顆粒和MXene薄片的TEM圖，(c)石墨烯納米片的TEM和HRTEM圖,，(d-f)不同區(qū)域TiO₂納米晶的HRTEM圖,。

圖4. (a) TiO₂/MG，MG,，MXene和GO的XRD譜圖, (b) MG和不同微波功率（200-800W）下制備TiO₂/MG復(fù)合材料的拉曼光譜,。

圖5. 微波功率為400W制備的TiO₂/MG的高分辨率XPS光譜(a) Ti2p, (b) O1s, (c) C1s, (d) Ti2p, (e) O1s, (f) C1s。

圖6. MG和不同微波功率（200-800W）下制備的TiO₂/MG性能對比。(a)不同電流密度下倍率性能隨循環(huán)數(shù)的變化, (b)不同電流密度下的比容量對比,，(c)阻抗圖,，(d)電流密度為1000 mA g^-1下的充放電循環(huán)性能。

總結(jié)與展望：

本研究報(bào)道了一種超快,、低能耗微波加熱瞬間還原法,，制備出高比表面積的TiO₂-MXene/graphene復(fù)合材料。MXene具有強(qiáng)吸波性,，在超低微波功率（僅200 W）下,，10秒內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯還原。得益于多孔MXene/graphene復(fù)合材料擁有穩(wěn)定結(jié)構(gòu),、豐富活性位點(diǎn)和離子擴(kuò)散通道,，400W功率下制備的TiO₂/MG復(fù)合材料在50 mA g^-1時放電容量為356 mAh g^-1，在10 A g^-1時放電容量為134 mAh g^-1,，相比文獻(xiàn)報(bào)道的MXene/石墨烯復(fù)合材料具有更優(yōu)異的倍率性能,。該技術(shù)可以推廣到MXene負(fù)載金屬單原子的電催化劑制備等。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 52125202, U2004209),、江蘇省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(BE2020684)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(14380163,14913411)的共同支持。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231738