锂（Li）离子电池在手机、电脑等便携设备以及新能源汽车等领域已经被广泛的应用。但是，目前仍然存在无法快充、快放以及随着使用次数的增加，容量衰减较快等问题。钾（K）离子电池由于具有和锂离子电池相似的电化学特征，以及丰富的K资源，使得钾离子电池有望成为下一代、大规模的储能器件。因此，开发一种具有高功率性、循环稳定、且同时适用于锂离子和钾离子电池的通用负极材料是具有一定价值的。
科研成果针对上述问题，哈尔滨工程大学曹殿学教授和朱凯副教授为共同通讯，哈尔滨工程大学方永正博士生为第一作者在国际知名期刊JournalofMaterialsChemistryA上报道了一种片状的三明治结构的TiO2/RGO（二氧化钛夹心的还原氧化石墨烯）电极材料。其中TiO2是由类似石墨烯的二维纳米材料MXene裂解得到的，而石墨烯导电层则被TiO2连接在一起。该三明治结构激发了更多的高压电容储能行为，使电极展现了极好的倍率性能和循环稳定性。
文章简介亮点1.作者巧妙地借助Ti2CTx（MXene）的二维结构、极易氧化和表面大量的氟（F）官能团等特点，成功制备了F掺杂的纳米级的TiO2电极材料（15-25nm）。将亲水的Ti2CTx与氧化石墨烯均匀分散在水中，经过一步水热法，便可同时实现Ti2CTx的裂解氧化和氧化石墨烯的还原，并自组装成为板片状和三明治结构的电极材料，如下图所示。
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图一：（a）TiO2/RGO电极材料的合成示意图；（b-d）分别为材料的晶体结构、热重和拉曼的物象表征，表明该材料被成功制备。
亮点2.文章所制备的TiO2/RGO材料具有片状结构，TiO2均匀地分散在RGO层间并将RGO连接在一起，构成一种RGO-TiO2-RGO的三明治结构。这种结构不仅改善了纳米TiO2的团聚性和导电性，而且构建了大量的夹层空间和RGO-TiO2连接界面。这种结构对实现电池的快速充放电是十分有意义的。
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图二：TiO2/RGO电极材料的微观形貌。（a、b）扫描电子显微镜图像；（c、d）投射电子显微镜图像。
亮点3.所构建的TiO2/RGO材料在锂离子电池中展现了良好的快速充放能力和循环稳定性。在C（mA/g）的超高电流密度下仍然展现了mAh/g的容量。在10C（mA/g）下循环0圈后，容量保持率高达86%。
此外，作者通过详细的对比表明：三明治结构中的夹层空间和RGO-TiO2连接界面激发了大量的赝电容容量，尤其在高电压部分。这是此材料展现良好性能的关键因素。
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图三：TiO2/RGO在锂离子电池中的电化学性能。（a）倍率性能；（b）充放电曲线；（c、d）电容行为分析；（e）循环稳定性。
亮点4.作者通过b值计算、电容占比分析、恒电流间歇滴定分析（GITT）、阻抗谱和波特图谱等电化学分析手段揭示了TiO2/RGO电极材料具有混合动力控制的储能原理。
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图四：TiO2/RGO电极的反应动力学分析。（a）不同扫描速度下的循环伏安曲线（CV）；（b）b值计算；（c、d）电容占比分析；（e）GITT测试和内阻分析；（f）波特图谱分析。
亮点5.由于K离子体积较大，开发具有合适容量和循环稳定性的电极材料一直是一个挑战。本文所制备的TiO2/RGO材料在钾离子电池中具有较好的电化学稳定性。在1.0A/g的电流密度下循环0圈后，仍然保持85%的容量。为钾离子电极材料的开发提供了一定的指导意义。
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图五：TiO2/RGO在钾离子电池中的电化学性能。（a）不同扫速下的CV曲线；（b）充放电曲线；（c）电容占比分析；（d）倍率性能；（e）循环稳定性。
总结本工作通过一步水热法成功构建了一种具有板片形状和三明治结构的TiO2/RGO电极材料。该电极在锂离子和钾离子电池中均展现了优异的快充快放性能和循环稳定性。作者通过定量的动力学分析研究了该材料的储能机制，证明了三明治结构可以激发更多的高压电容，以及引入电容容量可以实现快速离子存储并提高循环稳定性，为金属离子电池的电极设计提供了新的策略。
论文信息MXene-derivedTiO2/reducedgrapheneoxide