Diffusion Kinetics of Ionic Charge Carriers Across Ti3c2tx Mxene-Aqueous Electrochemical Interfaces

动力学 扩散 电化学 离子键合 水溶液 载流子 材料科学 化学物理 化学 化学工程 离子 物理化学 热力学 电极 光电子学 物理 有机化学 工程类 量子力学
作者
Suman Yadav,Narendra Kurra
标识
DOI:10.2139/ssrn.4486409
摘要

Titanium carbide MXene -Ti3C2Tx - is a representative and well-employed electrode material for a variety of electrochemical energy storage applications. Despite exhibiting metal-like electronic conductivity, restacked Ti3C2Tx films show mediocre rate performance. Here, we report on the estimation of diffusion coefficients of aqueous cations (H+, Li+, Na+ and Ca+2) across Ti3C2Tx MXene interlayer spaces by employing electrochemical impedance spectroscopy. Proton diffusivity across 2D slits is found to be 2.2 * 10-8 ± 0.4 * 10-8 cm2/s, which is three orders of magnitude slower than in bulk water. Such a sluggish diffusive behavior is attributed to interfacial confinement effects in the 2D space. It is found that protons diffuse three times faster than hydrated metal cations (Li+, Na+ and Ca+2) through Ti3C2Tx slits and exhibit strong potential dependent behavior. Therefore, the rate performance of Ti3C2Tx MXene electrodes is limited by the ionic transportation in the 2D slits rather than electronic transport. This study provides insights into the engineering of open 2D electrode architectures for better ionic diffusive pathways towards the design of high rate MXene based energy storage devices.

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