如何提高纳米复合材料更长的稳定性，和更高的离子存储能力？

文 |黎夏绮妤

编辑 | 黎夏绮妤

●○前言○●

(资料图片)

在电化学性能方面，专家们专门采用沉淀法开发了一种新技术，用以实现MXene、BiCr2O4纳米复合材料更长的稳定性和更高的离子存储能力，这对所制备的纳米结构的形貌特性的研究十分有用。

从MXene的2.08电子伏特降低到MXene、BiCr2O4纳米复合材料的1.90电子伏特，这涵盖了之前提到的所有数值、纳米复合材料MXene、BiCr2O4的平均粒径为11.15纳米。

通过EDX分析确认了所制备纳米复合材料的元素组成，制备的MXene、BiCr2O4纳米复合材料可以作为高效的催化剂和电极材料，具有较小的带隙、高电化学稳定性和优秀的比电容值等吸引人的特性。

●○MXene、BiCr2O4纳米复合材料的介绍○●

2D金属碳氮化物和氮化物，也被称为MXene为“二维世界创新”打开了一扇新的大门，MAX相由于其MX和A层的交替排列结构，具有出色的机械和热性能。

因为能量存储设备的性能主要取决于电极材料的固有特性，其二维性质和引人注目的电子特性，让MXene在能量存储设备中被频繁应用作电极材料。

而电化学储能设备也需要同样具有高储能容量的电极材料，因此专家们在寻找具有优越性能的新型电极材料方面，进行了大量的研究工作。

其中一种方法是利用各种可用的制备技术来制备电极材料，因为MXene具有广泛的组成和形态，由于弱的次级层间键合使得相邻层之间的电阻低，因此在各种应用中它们特别引人注目。

而MXene的结构多样性以及其广泛的组成空间提供了无尽的选择，这也让MXene合成方面的最新进展在过渡金属中开辟了新的组成可能性，而不同的制备技术和合成方法会影响相同材料的形貌、电子、机械甚至化学性质。

同时由于其具有高稳定性、低毒性和丰富的资源等有利特性，以铋为基础的材料已广泛研究作为可见光光催化剂，再加上由于其足够深的价带，它们在水氧化方面具有优异的光催化效率。

而BiVO4光催化剂通常在水氧化反应中表现出稳定的性能，然后通过太阳能转化为氢能效率为1.2%，然而大带隙严重限制了它们未来的应用，但MXene、BiCr2O4杂化材料却能够克服这些问题。

专家们通过使用共沉淀法制备了MXene、BiCr2O4纳米复合材料，并观察到合成的纳米复合材料的带隙减小到1.90电子伏特，而对于MXene测得的带隙值为2.08电子伏特。

然后使用XRD、扫描电子显微镜、拉曼光谱和EDX等先进的表征技术，来分别研究纳米杂化材料的微观结构、表面形貌和电子特性，结果测得的MXene、BiCr2O4纳米复合材料的比电容值为455 F/g，这与先前的报告相比，显然是一个更优越的值。

而且Ti3C2/NT纳米复合材料可以在123.6 mAhg−1至1030.1 mAhg−1的范围内实现容量，并具有约50%的库伦效率。

但这些性能参数在电池循环次数增加时容易降解，由于纳米颗粒与Ti3C2层之间存在非紧密与紧密的接触，这让纳米颗粒在循环过程中有聚集的趋势。

因此专家们正在研究越来越多的MXene与其他材料的纳米复合材料，以克服这些缺点，而制备MXene铋基材料是改善和实现理想电极材料性能的可能性之一。

●○纳米颗粒BiCr2O4的制备方式○●

想要制备纳米颗粒BiCr2O4并不容易，首先专家们要将相应的Bi2·4H2O和硝酸铬按化学计量比例溶解于去离子水中，让它们混合在一起制备出铋前驱体溶胶。

然后再通过40-50摄氏度下搅拌20分钟，直到溶液变得均匀，在搅拌1小时后，在保持温度恒定的同时滴加一到两滴乙二醇。

而溶液通过在60-70摄氏度下蒸发来浓缩，制备得到的溶胶在105摄氏度下烘干3小时，干燥的溶胶在750摄氏度下煅烧4小时才可以得到。

●○MXene（Ti3C2）的制备○●

那么在MXene（Ti3C2）的制备过程中，专家要将10克MAX溶解在230毫升室温下的氢氟酸中，然后放入聚四氟乙烯瓶中，使用磁力搅拌器连续搅拌72小时。

这一步是为了去除所有酸性残留物，并使pH值达到6.0，从而让产品通过乙醇和去离子水多次清洗，然后将糊状物通过真空过滤收集，并让糊状物在60摄氏度下干燥48小时，得到粉末，最终的产品为粉末形式，可以通过蚀刻得到MXene（Ti3C2）片。

●○纳米复合材料的制备○●

随后专家们在烧杯中取1 mg/ml的MXene溶液，并在另一个烧杯中以乙酸和乙二醇的1:1比例加入0.002 M的BiCr2O4，并对第一个烧杯中的溶液进行超声处理10分钟。

然后再将两个烧杯中的溶液混合，并在60摄氏度下继续超声处理50分钟，随后专家要将混合物放置在磁力搅拌器上，并在85摄氏度下搅拌60分钟，最后在混合物冷却后进行真空过滤。

然后将过滤得到的糊状物在50摄氏度下的烘箱中干燥24小时，直到得到细粉，并进行EDX、SEM和XRD等技术，接着分析和评估BiCr2O4纳米颗粒和BiCr2O4MXene纳米复合材料中MXene的合成情况。

●○电化学测量○●

专家们通过使用Gamy电位计接口和三电极体系，进行了所有制备的电催化剂的电化学研究，其中银、氯化银、银丝和修饰的玻碳电极分别用作参比电极、对电极和工作电极。

而银丝也可以用作导电对电极，而且不影响系统性能，可以通过玻碳电极用乙醇清洗，并用氧化铝浆料抛光，然后在滴加催化剂墨水之前，用乙醇冲洗抛光的玻碳电极，其中催化剂墨水是在乙醇中制备的。

同时要将5%的Nafion溶液作为粘结剂滴在粉末催化剂上，在0.1 M KOH溶液中制备的纳米复合物的1.0 M溶液中，通过循环伏安法进行纳米复合物的电催化氧化反应。

而铋铬酸盐纳米颗粒的X射线衍射图样中，其X射线技术提供了晶体结构和相组成的证据，专家们还使用JCPDS卡片号码45-0937，这些峰位都被指定为纯立方体系，由于尖晶石具有立方晶体结构，这表明样品达到了较高的纯度水平。

先前的报告显示，实验可以在750摄氏度下获得单相尖晶石，并通过使用Scherrer公式计算了BiCr2O4、MXene和MXene/BiCr2O4的平均粒径。

同时专家们还进行了能量色散谱的对比，从图中显示的EDS图谱可以清楚地表明，形成的铋铬酸盐具有单相结构，并根据它们的原子比和重量，看出Bi、Cr和O的具体占比，然后获得了单相的铋铬酸盐。

而下表则表明了MXene、BiCr2O4纳米复合材料的形成，而且和之前的数据相比，EDX结果与先前的报告非常一致，这显示了样品中所需元素的存在。

而对于BiCr2O4、MXene纳米复合材料，MXene的显微结构呈片状结构，而父体的铋铬酸盐被植入到MXene片表面，在SEM图像中，观察到尖晶石铋铬酸盐纳米颗粒在MXene纳米片上的规律排列。

其中拉曼光谱可以看出，纳米复合材料在1200-1500范围内显示出强烈的峰值，而且散射信号相当宽，表明纳米复合材料的结构良好，在这个分析中，观察到在1260和1340的峰值较弱。

与BiCr2O4、MXene纳米杂化材料相比，合成的纯BiCr2O4具有最高的电子空穴复合速率，表明电荷载流子复合速率分离。

而BiCr2O4、MXene却显示出非常低的峰强度，并表明材料具有较低的电子-空穴复合速率和高的光催化响应，而且纳米复合材料MXene、BiCr2O4显示出直接带隙，MXene、BiCr2O4的带隙值降低至1.90电子伏特，而MXene的测量值为2.08电子伏特。

而且在0.1 M KOH和1 M H2SO4溶液中，采用的电化学阻抗谱法测量出了纳米电极的电子传递性能，而且在这个过程中，始终保持的参数是交流电压为0.5 V，直流电压为零。

可电极的形状却对Warburg电阻和溶液电阻没有影响，因为这些是电解质和电活性物种扩散的特征，在所有观察中都是共同的。

但是常数相元和电荷转移电阻受电极修饰的影响，因为它们与活性材料的导电特性有关，因为这里的α分别表示表面粗糙度和电容，其值在1到0之间变化，制备的电催化剂的电化学行为差异取决于电子传递的相对可行性。

而且与活性材料的导电特性相关的参数，受到电极修饰与常数相元的影响，根据目前修饰的电极系统具有α值从0.56到0.87的范围。

那么这也足够表明催化剂具有表面粗糙度，而这也与扫描电子显微镜的结果相吻合，对于所提出的催化剂，通过公式计算得到的是电子转移速率常数。

●○作者观点○●

专家们通过溶胶-凝胶法成功合成了BiCr2O4纳米颗粒，实现了纳米复合材料MXene、BiCr2O4的连续合成，用于能量存储应用。

而且通过SEM和XRD结果表明，BiCr2O4纳米晶体成功生长在氧化石墨烯上，以及通过纳米复合材料MXene、BiCr2O4的带隙值观察到从MXene的2.08电子伏特减小到1.90电子伏特。

再加上SEM分析显示纳米复合材料具有网络状结构，具有电化学活性表面积，通过交流阻抗谱分析，观察到MXene/BiCr2O4的最小电荷阻抗和最大电化学表面积。

但由于带隙减小，该纳米复合材料可以用作电极材料，因此现在所制备的纳米复合材料对于提高电催化活性和稳定性是有利的，适用于未来能量存储应用。

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