Energy Storage Materials：三维聚多巴胺衍生炭层包覆MXene用作锂/钠离子电池负极材料的研究

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、丰富的表面官能团和赝电容特性，在电化学储能领域的应用引起了研究者们的广泛兴趣。然而，由于层间范德华力使得MXene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，从而影响了其比容量和倍率性能。此外，MXene材料易氧化，这也是限制其实际应用的重要因素。

将二维MXene纳米片构筑成为三维结构，可以抑制MXene片层间的堆叠，提高MXene表面活性位点的利用率，进而提高MXene的电化学性能。本工作利用盐酸多巴胺的自聚合反应在MXene表面包覆了聚多巴胺层，随后通过高温处理使聚多巴胺碳化，构筑了炭包覆MXene的三维结构（T-MXene@C）。通过在MXene表面包覆碳层，不仅提高了MXene在高温下的抗氧化能力，而且三维结构的构筑使MXene的比表面积和孔容显著提高，有利于电解液的渗透和表面活性位点的暴露，使其表现出了高的储锂/钠容量和优异的倍率性能。作为锂离子电池负极材料，T-MXene@C在0.2 C下循环200圈后比容量高达499.4 mAh g^-1，在100 C的大倍率下仍保持有102.2 mAh g^-1的比容量。作为钠离子电池负极材料，T-MXene@C在50 mA g^-1的电流密度下循环200圈后的比容量高达257.6 mAh g^-1，在1 A g^-1下循环3000圈后比容量仍保持139.5 mAh g^-1，容量保持率达到91.7%，平均每圈的容量衰减仅为0.00277%，表明T-MXene@C在长时间的充放电过程中可以保持结构的稳定。得益于优异的导电性和发达的三维结构，T-MXene@C也表现出优异的倍率性能。聚多巴胺衍生炭包覆提供了一种构筑三维MXene材料的新思路，这种方法也可扩展至其他种类MXene的三维结构构筑，并可广泛应用于储能、传感、催化和膜分离等领域。

该工作以“3D carbon-coated MXene architectures with high and ultrafast lithium/sodium-ion storage”为题发表在能源材料领域的国际知名期刊Energy Storage Materials (2020, 29,163-171)。