山大吴昊AEM: 用于钾离子全电池的同源MXene衍生电极

钾离子电池（PIB）电极材料的开发对于促进其在下一代储能系统中的应用至关重要。尽管金属有机框架（MOFs）是吸引人的电极材料，但其在PIBs中的性能不尽如人意，MOFs饱和配位的低K⁺吸附能（ΔEa）可以解释其有限容量。

在此，山东大学吴昊教授等人制备了V₂CT_x（T_x=末端原子）MXene衍生的MOF纳米片并解锁了部分节点，从而增强K⁺存储能力。之前的研究表明，MXene在制备纳米尺寸MOF方面优于其他可溶性金属前体，因为具有高电负性的均质末端原子能够使有机配体快速去质子化，从而与下面的金属原子结合。在这项工作中进行的具体实施方案基于以下论点：

1）2D MXene用作金属前驱体，其与2D MOF纳米片和K⁺插层钒酸盐纳米带在几何上兼容；

2）使用高度π共轭的大平面卟啉配体（H₂TCPP）构建2D MOF，确保离散域的高电子电导率；

3）热重分析结合质谱（TGA-MS）用于了解解锁MOF节点所需的条件。节点解锁的MXene 衍生MOF（NMD-MOF）负极表现出高比容量（在0.05和0.5 A g^-1下分别为250 和185 mAh g^-1），大大超过了原始的MXene衍生MOF（MD-MOF）。

图1. MD-MOF解锁过程的示意图

为了阐明NMD-MOF中K⁺存储增强的机制，作者基于DFT进行了表面静电势的模拟和K⁺的ΔEa的计算。结果表明，未锁定的节点位置更有利于K⁺吸附，这证实了NMD-MOF电极的增强的K⁺存储能力。此外，由于完整的π共轭链段、主导的电容控制动力学和促进NMD-MOF的电荷转移，NMD-MOF负极表现出良好的倍率性能（5 A g^-1时为106 mAh g^-1）和出色的循环稳定性（800次循环后容量保持率为86.3%）。

同时，由NMD-MOF负极和MXene衍生的K_xV₂O₅ （MD-KVO）正极组装的PIB在50 mA g^-1时具有令人鼓舞的63 mAh g^-1的优异容量，且表现出出色的能量密度（143 Wh kg^-1）和功率密度（440 W kg^-1）。总之，MXene衍生电极材料的制备和结合位点激活的解锁节点策略可能会促进对用于储能装置的高活性电极材料的进一步研究。

图2. NMD-MOF负极和MD-KVO正极组装的PIB全电池性能

Homologous MXene-Derived Electrodes for Potassium-Ion Full Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200113