近日，材料学院徐斌教授团队在《Energy & Environmental Materials》（IF=15.122）上发表了题为“3D Foam-Based MXene Architectures: Structural and Electrolytic Engineering for Advanced Potassium Ion Storage”的研究论文。论文从三维结构构筑和电解液匹配两个方面研究了改善MXene储钾性能的策略，提高了MXene基电极材料的储钾比容量、循环稳定性和倍率性能。
MXene是一种新型二维层状过渡金属碳化物/氮化物，具有类金属的导电性、优异的亲水性、丰富的表面端基和赝电容特性，在电化学储能领域受到广泛关注。然而，作为钾离子电池负极材料时，MXene存在一些问题亟待解决：首先，层间较强的范德华力使得MXene的片层易于发生堆叠，阻碍了表面活性位点的有效利用和离子的快速输运；其次，尺寸较大的钾离子在MXene层间的嵌入/脱出较为困难；最后，钾的高活性和MXene丰富的表面端基使得MXene和钾离子之间的不可逆副反应增多，库伦效率较低。
在课题组前期工作（Advanced Functional Materials, 2020, 30, 2000922; Energy Storage Materials, 2020, 29, 163-171; Small, 2019, 15, 1904293）的基础上，本工作一方面通过静电诱导法将带正电荷的三聚氰胺吸附在带负电荷的MXene片层表面，将其转变为具有三维导电网络和高比表面积的多孔MXene泡沫以提高MXene表面活性位点的利用率、缩短了离子传输的路径，进而提高MXene的储钾容量和倍率性能；另一方面采用双氟磺酰亚胺钾盐（KFSI）作为电解质取代传统的KPF6，由于KFSI在循环过程中可以在MXene电极表面形成富含无机组分的固态电解质层，提高电极在循环过程中的库伦效率，进而表现出更加优异的循环稳定性。在KFSI基酯类电解液中，三维MXene泡沫在30 mA g-1和2 A g-1的电流密度下分别表现出161.4 mAh g-1和70 mAh g-1的比容量，在1000 mA g-1的大电流密度下循环2000圈后容量保持稳定。此外，以三维MXene泡沫为负极、活性炭为正极组装的钾离子电容器在290 W kg-1下可以表现出57 Wh kg-1的能量密度（基于电极材料计算）。这一研究结果表明三维结构的构筑和KFSI电解质可以显著提高MXene材料的电化学储钾性能，为MXene在钾离子储能体系的应用提供了新思路。
本文第一作者为我校高精尖中心博士后张鹏，徐斌教授为本文的通讯作者，北京化工大学为唯一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。
文章信息：Peng Zhang, Yanmeng Peng, Qizhen Zhu, Razium Ali Soomro, Ning Sun, Bin Xu, 3D Foam-Based MXene Architectures: Structural and Electrolytic Engineering for Advanced Potassium Ion Storage. Energy & Environ. Mater., 2022, DOI: 10.1002/eem2.12379
全文链接：https://doi.org/10.1002/eem2.12379
