钾离子电池（PIBs）以其成本低、钾资源储量丰富以及类似的“摇椅”机制被认为是锂离子电池（LIBs）的良好替代储能技术。然而，较大的K+离子半径可能导致循环过程中造成巨大的体积膨胀，因此很难开发出优异的负极材料，以缓解重复插入/提取K+过程中的较大体积变化，从而获得优异的电化学性能。

有鉴于此，山东大学尹龙卫教授，Luyuan Zhang报道了精心设计了一种Sb/Na-Ti₃C₂T_x杂化储钾材料，其中超细的Sb纳米颗粒均匀地锚定在Na⁺预嵌插的三维多孔Ti₃C₂T_x（Na-Ti₃C₂T_x）结构上。

文章要点

1）研究人员首先通过在LiF/HCl混合溶液中选择性刻蚀Ti₃AlC₂，然后进行H₂O超声剥离处理，成功地合成了带负电荷的剥离Ti₃C₂T_x（ex-Ti₃C₂T_x）纳米片。其次，NaBH₄被快速加入到ex-Ti₃C₂T_x悬浮液中，其中Na+自发地预先插入到ex-Ti₃C₂T_x层中，打破了ex-Ti₃C₂T_x悬浮液的静电斥力，并作为连接ex-Ti₃C₂T_x纳米片的纽带，由于其与ex-Ti₃C₂T_x上的-OH表面官能团具有很强的结合能，因此组装了三维多孔Na-Ti₃C₂T_x结构。接着将SbCl₃溶液滴加到上述溶液中，通过静电相互作用促进Sb³⁺在Na-Ti₃C₂T_x结构上异相成核和部分还原，随后，通过进一步的生长和碳热还原反应，将超细的Sb纳米颗粒均匀地锚定在Na-Ti₃C₂T_x结构上（Sb/Na-Ti₃C₂T_x杂化材料）。

2）超细的Sb纳米颗粒可以有效缩短K⁺的传输路径，暴露出更多可接近的活性部位，提高容量利用率。此外，Na-Ti₃C₂T_x结构具有更开放的结构和更大的活性比表面积，不仅有效地协调了循环过程中的体积变化和阻止Sb纳米粒子的聚集，提高了结构稳定性，而且有效地加强了电子转移动力学，提供了畅通的K⁺扩散通道，加快了离子/电子的传递。

3）Na-Ti₃C₂T_x结构优异的电容行为和丰富的表面氧化还原反应可以协同提高电化学性能。更重要的是，超细Sb纳米颗粒与Na-Ti₃C₂T_x结构之间的协同效应可以最大限度地提高电解液和电极界面的电化学活性比表面积，从而提高储钾性能。理论计算结果表明，Sb/Na-Ti₃C₂T_x负极提高了K⁺的界面吸附能力，促进了放电过程。

4）在合理设计的基础上，Sb/Na-Ti₃C₂T_x杂化材料表现出较高的比容量，0.1A g^-1循环后比容量为392.2 mAh g^-1，2.0 A g^-1下的放电倍率性能为127.0 mAh g^-1。

Ruizheng Zhao, et al, Encapsulating Ultrafine Sb Nanoparticles in Na⁺ Pre-Intercalated 3D Porous Ti₃C₂T_x MXene Nanostructures for Enhanced Potassium Storage Performance, ACS Nano, 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c06360

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06360