我院院长唐少春教授和南理工朱俊武教授团队合作在锂离子电池研究方面取得新进展

第一作者：牛日超，韩如冰

通讯作者：唐少春，朱俊武

通讯单位：南京大学，江苏，210093

南京理工大学，江苏，210094

海安南京大学高新技术研究院，江苏，226600

论文DOI：10.1016/j.jpowsour.2022.231738

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石墨烯的制备通常是将氧化石墨烯在水合肼等强还原剂辅助下液相化学还原。然而，强还原剂大多毒性大、易污染，且传统方法导致石墨烯存在缺陷多、产率低、能耗高，反应时间长等缺点。近日，我院院长唐少春教授团队与南京理工大学朱俊武教授团队合作，设计并开发出一种微波加热瞬间还原氧化石墨烯的快速新途径，以二维MXene作为复合组分同时起到增强吸波作用，成功制备出高比表面积TiO₂-MXene/graphene复合电极材料，显著提升了锂离子电池的性能。该工作创新点包括：（1）MXene具有强吸波性，在超低微波功率（仅200 W）下，10秒内就实现了氧化石墨烯还原，微波功率远远低于文献报道的1000 W；（2）避免了二维材料的堆叠，多孔MXene/graphene复合材料拥有稳定结构、丰富活性位点和离子扩散通道；（3）MXene和graphene具有良好的电子/离子电导率，在50 mA g^-1高电流密度下比容量达到356 mAh g^-1，相比纯石墨烯、MXene和文献报道的MXene/石墨烯复合材料具有更优异的倍率性能。

图1. 氧化石墨烯GO和MXene混合粉末，经微波加热瞬间还原快速合成TiO₂/MG复合材料的流程示意图。

图2. (a)GO和MXene混合粉末的SEM图(微波加热前)，(b)反应容器微波加热瞬间的照片，(c-e) TiO₂/MG复合产物在不同放大倍率下的SEM图像。

图3. (a) TiO₂/MG复合材料，(b) TiO₂纳米颗粒和MXene薄片的TEM图，(c)石墨烯纳米片的TEM和HRTEM图，(d-f)不同区域TiO₂纳米晶的HRTEM图。

图4. (a) TiO₂/MG，MG，MXene和GO的XRD谱图, (b) MG和不同微波功率（200-800W）下制备TiO₂/MG复合材料的拉曼光谱。

图5. 微波功率为400W制备的TiO₂/MG的高分辨率XPS光谱(a) Ti2p, (b) O1s, (c) C1s, (d) Ti2p, (e) O1s, (f) C1s。

图6. MG和不同微波功率（200-800W）下制备的TiO₂/MG性能对比。(a)不同电流密度下倍率性能随循环数的变化, (b)不同电流密度下的比容量对比，(c)阻抗图，(d)电流密度为1000 mA g^-1下的充放电循环性能。

总结与展望：

本研究报道了一种超快、低能耗微波加热瞬间还原法，制备出高比表面积的TiO₂-MXene/graphene复合材料。MXene具有强吸波性，在超低微波功率（仅200 W）下，10秒内就实现了氧化石墨烯还原。得益于多孔MXene/graphene复合材料拥有稳定结构、丰富活性位点和离子扩散通道，400W功率下制备的TiO₂/MG复合材料在50 mA g^-1时放电容量为356 mAh g^-1，在10 A g^-1时放电容量为134 mAh g^-1，相比文献报道的MXene/石墨烯复合材料具有更优异的倍率性能。该技术可以推广到MXene负载金属单原子的电催化剂制备等。

该工作得到了国家自然科学基金项目(No. 52125202, U2004209)、江苏省科技厅重点研发计划项目(BE2020684)和中央高校基本科研业务费专项资金(14380163,14913411)的共同支持。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231738