DOI: 10.1021/acsnano.0c10491
作為一類典型的二維（2D）材料，MXenes具有符合儲能應用的良好理化特性和潛力。然而，MXenes仍然存在一些2D材料固有的缺點，如在加工和使用過程中會發生嚴重的重堆積以及儲能能力較低等情況。在此，通過原位生物吸附策略，將MXene@N摻雜碳納米纖維結構設計為高性能鈉離子和鉀離子電池的負極材料。也就是說，將Ti3C2Tx納米片組裝到黑曲霉生物真菌納米帶上，并轉換為2D/1D異質結構。這種微生物衍生的2D MXene-1D氮摻雜碳納米纖維結構具有完全開放的孔和傳輸通道，可提供較高的可逆容量和長期穩定性，以存儲Na+（在0.1 A g-1下循環1000次可達349.2 mAh g-1）和K+（在1.0 A g-1下循環1000次可達201.5 mAh g-1）。離子擴散動力學分析和密度泛函理論計算表明，這種多孔雜化結構促進了Na和K離子的傳導和傳輸，并充分利用了2D材料的固有優勢。綜上，這項工作進一步挖掘了MXene材料的潛力，為應對二維儲能材料的挑戰提供了一種很好的策略。
圖1.MXene、生物真菌納米帶和MXene@NCRib雜化纖維的形態。（a）Ti3C2Tx MXene束的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（b）生物真菌黑曲霉帶的SEM圖像。（c）MXene@NCRib雜化纖維的SEM圖像。（d）MXene@NCRib雜化纖維的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。（e）MXene@NCRib雜化纖維的放大TEM圖像。（f）NCRib的高倍透射電鏡圖像。（g）MXene@NCRib中Ti3C2Tx MXene的高分辨率TEM圖像。（h）MXene@NCRib的掃描透射電子顯微鏡元素圖譜。
圖2.MXene和MXene@NCRib雜化纖維的物理和化學特性。（a）蝕刻多層Ti3C2Tx、多層Ti3C2Tx和MXene@NCRib的XRD圖。（b）MXene@NCRib的拉曼光譜。（c）MXene@NCRib的TG-DSC結果。（d-g）MXene@NCRib的高分辨率X射線光電子能譜：C1s，N1s，Ti2p和O1s。
圖3.MXene和MXene@NCRib雜化纖維儲存Na+的電化學性能和動力學分析。（a）在0.2 mV s-1的電流密度下進行前三個循環的循環伏安（CV）曲線，（b）在0.1和1.0 A g-1的電流密度下的倍率性能，（c）循環穩定性。（d）不同掃描速率下的CV曲線。（e）用于計算b值的logi-logv圖和擬合線。（f）由黃色圖案顯示當掃描速率為1.0 mV s-1時的電容貢獻的CV曲線。（g）不同掃描速率下的電容貢獻率。（h）恒電流間歇滴定曲線以及計算得出的擴散系數DNa。
圖4.MXene和MXene@NCRib雜化纖維儲存K+的電化學性能和動力學分析。（a）在0.2 mV s-1的電流密度下進行前三個循環的循環伏安（CV）曲線，（b）不同掃描速率下的CV曲線，（c）MXene和MXene@NCRib的倍率性能，（d）MXene和MXene@NCRib在電流密度分別為0.1和1.0 A g-1時的循環穩定性。（e）在0.1 A g-1下進行前五個循環的循環穩定性，其中由淺褐色圖案顯示當掃描速率為1.0 mV s-1時的貢獻。（f）不同掃描速率下的電容貢獻率。（g）恒電流間歇滴定曲線以及計算得出的擴散系數DK。
圖5.存儲用MXene和MXene@NCRib雜化纖維的理論計算。（a）Ti3C2Tx MXene和Ti3C2Tx MXene@NCRib在不同Na/K吸附位點的吸附能。電荷密度的差異：（b）吸附在MXene和（c）MXene@NCRib表面的Na；（d）吸附在MXene和（e）MXene@NCRib表面的K。
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