Molecular-level heterostructures assembled from layered black phosphorene and Ti3C2 MXene as superior anodes for high-performance sodium ion batteries

材料科学 磷烯 纳米片 异质结 阳极 电化学 离子 氧化还原 插层(化学) 密度泛函理论 电极 化学工程 纳米技术 石墨烯 光电子学 无机化学 物理化学 计算化学 工程类 物理 化学 冶金 量子力学
作者
Ruizheng Zhao,Zhao Qian,Zhongyuan Liu,Danyang Zhao,Xiaobin Hui,Guanzhong Jiang,Chengxiang Wang,Longwei Yin
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:65: 104037-104037 被引量:178
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104037
摘要

Phosphorus, as one of the most promising anodes for sodium-ion batteries, its electrochemical performance improvement seriously suffers from insulated characteristics and poorly structural stability. Herein, we report an elaborately designed strategy to rationally synthesize molecular-level PDDA-BP/Ti3C2 nanosheet heterostructures taking advantages of high theoretical capacity of black phosphorene (BP) and high electronic conductivity, abundant functional groups of Ti3C2. Due to the face-to-face contact of both components, the parallel 2D interlayer spacing provides effective charge transfer and diffusion channels. DFT calculations show that strong interactions between BP and Ti3C2 could efficiently lower binding energy to facilitate the sodiation process. More importantly, surface functional groups of –F, –O and –OH in Ti3C2 play important roles to immobilize BP and act as more synergistic adsorption sites to accelerate sodiation. The PDDA-BP/Ti3C2 electrode displays extremely structure-stability confining monodispersed BP nanoparticle within Ti3C2 to buffer volume expansion and prevent aggregation of BP, exhibiting an ultrahigh reversible capacity of 1112 mA h g-1 at 500th-cycle at 0.1 A g-1 and ultralong cycling stability of 658 mA h g-1 with only 0.05% degradation per cycle within 2000 cycles at 1.0 A g-1. The related soidation mechanism and effects of functional groups of Ti3C2 on sodiation/desodiation redox reaction are deeply investigated.
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