Nano Energy：異質雙金屬硫化物@層狀Ti3C2TX-Mxene作為協同電極 實現高能量密度水基混合超級電容器

一、導讀

電化學儲能系統廣泛應用于智能電子產品、醫療設備和其他日常電器，在我們的日常生活中發揮著至關重要的作用。近年來，各種電池和超級電容器(SCs)等電化學儲能器件已成為有前途的候選器件，引起了人們的極大興趣。然而，電化學電池存在使用易燃和有毒有機電解質的安全問題以及功率密度有限的問題。有限的壽命和充電速度使其在許多領域不適用。盡管電化學SCs在功率密度、壽命、充電速率等方面都能滿足要求，但其能量密度遠不如電化學電池。水混合超級電容器(AHSCs)是解決所有這些問題的一種有前途的替代方案，它使用電池型電極來提高能量密度，使用電容型電極來提高功率密度和壽命，使用水電解質來解決安全問題。AHSCs有望提供比含水SCs更高的能量密度和比電池更高的功率密度。然而，盡管在尋找合適的電極材料和器件配置方面取得了進展，但通過材料選擇、結構構建或表面/界面工程，開發新的復合系統，使兩個電極實現完美的充放電動力學這一問題，仍然亟待解決。

將二維MXenes與過渡金屬硫化物結合是解決該問題最有效的策略之一。MXenes獨特的結構，在電化學儲能器件中具有相當大的優勢，包括快速的電子傳輸、快速的離子擴散和良好的贗電容性能。與過渡雙金屬硫化物結合后，異質結構(HS)復合材料—鎳鈷硫化物(NCS)@MXene將解決MXenes的低電容問題，提高原始NCS材料的速率性能和循環穩定性。這種組合不僅充分利用了高度暴露的二維層狀活性材料，而且還產生了優化離子插層、物理/化學吸附、化學反應過程等協同效應。MXenes通過其高導電性和二維結構中更多的電活性位點提高了復合電極的電化學性能。到目前為止，這種復合材料還沒有用于AHSCs。

二、成果掠影

近期，蘭州大學韓衛華教授，Muhammad Sufyan Javed，深圳大學Tayyaba Najam將NCS納米花原位嵌入到分層中，采用水熱法制備了Ti₃C₂T_X-MXene，并對其作為電極材料的電化學性能進行了研究。優化后的HS-NCS@MXene表現出超高電容和循環穩定性。

相關研究工作以“Heterostructured bimetallic–sulfide@layered Ti₃C₂T_x–MXene as a synergistic electrode to realize high-energy-density aqueous ?hybrid-supercapacitor”為題發表在國際頂級期刊Nano Energy上。

三、核心創新點

文章報道了一種NCS納米花均勻分散在MXene層內，形成三明治狀結構的異質結構復合材料HS-NCS@MXene，該在三電極體系中表現出超高電容和循環穩定性。組裝的HS-NCS@MXene//AC-AHSC可以在寬電位范圍內工作，并提供高容量和高能量密度。分析表明，復合材料的電荷存儲機制是法拉和電化學雙層存儲的結合，因此NCS和MXene的協同作用使HS-NCS@MXene復合材料能夠為AHSC提供出色的電化學性能。

四、數據概覽

圖1 水熱法合成HS?NCS@MXene復合材料的工藝示意圖和水混合超級電容器的制備過程? 2022 Elsevier Ltd.

圖2 形貌表征。? 2022 Elsevier Ltd.

(a) MAX相Ti₃AlC₂的SEM圖像，(b)剝離Ti₃C₂T_x的SEM圖像，(c) NCO的SEM圖像，(d) HS-NCO@Ti₃C₂T_x，(e) HS-NCS@Ti₃C₂T_x的高分辨率SEM圖像，(f) HS-NCS@Ti₃C₂T_x的低分辨率TEM圖像(插圖為高分辨率TEM圖像)(g) HS-NCS@Ti₃C₂T_x的EDX元素映射。

圖3 物理表征。? 2022 Elsevier Ltd.

Ti₃C₂T_x-MXene, NCO, HS-NCO@MXene, HS-NCS@MXene的(a)XRD圖譜(b) FTIR光譜，(c)拉曼光譜。(d) Ti₃C₂T_x-MXene和NCS@MXene的全掃描XPS譜，(e) Ni-2p，(f) Co-2p，(g) Ti-2p，(h) C-1s，(i) S-2p的反卷積XPS譜。

圖4 三電極體系Ti₃C₂T_x-MXene、NCO、HS?NCO@MXene、HS?NCS@MXene電極在KOH電解質中的電化學表征。

HS?NCS@MXene的(a) CV曲線，(b) HS?NCS@MXene的CV曲線，(c) GCD曲線，(d) GCD曲線，(e)電容/容量與電流密度的關系，(f) EIS譜，(g)高達10,000次循環穩定性測試。

圖5 HS?NCS@MXene電極的電化學電荷存儲動力學。? 2022 Elsevier Ltd.

(a)陰極和陽極峰值電流密度作為掃描速率的函數。(b)對數(掃描速率)與陽極和陰極峰值電流的對數圖。(c)在5 m Vs^-1的掃描速率下，電容性和擴散控制的電荷存儲貢獻。(d)在不同掃描速率下電容和擴散控制電荷存儲的貢獻比例。

圖6 基于原位XPS和XRD分析HS?NCS@MXene電極的電荷存儲機理。? 2022 Elsevier Ltd.

(a)不同充放電狀態下的GCD曲線。(b-e) Ni-2p、Co-2p、Ti-2p和C-1s對應的反卷積XPS譜。(f)不同充放電狀態的XRD譜圖。(g)HS?NCS@MXene電極中電荷存儲機制的示意圖。

圖7 HS?NCS@MXene// AC-AHSC在KOH電解質中雙電極體系的電化學表征。? 2022 Elsevier Ltd.

(a)合成HS-NCS@MXene//AC-AHSC的工作功能示意圖。(b)不同電位窗口下的CV曲線。(c) +Ve (HS-NCS@MXene)和-Ve (AC)電極的CV曲線。(d)不同掃描速率下的CV曲線。(e)不同電流密度下的GCD曲線。(f)電容與電流密度的關系。(g) Ragone圖。(h)對兩個HS-NCS@MXene// AC-AHSC設備進行多達20,000次循環穩定性測試。

五、成果啟示

作者成功地通過水熱工藝將NCS納米花嵌入到剝離的Ti₃C₂T_X-MXene納米片中，構建了異質結構的NCS@MXene復合電極。優化HS-NCS@MXene樣品HS-NCS@Mxene在三電極體系中表現出顯著的贗電容性能。在2.5 A g^-1下，容量可達2637 F g^-1(1582 C g^-1)，循環壽命穩定在10000次以上，容量保持為初始值的96%。組裝之后的HS NCS@MXene//AC–AHSC可以在最高1.6 V的電位范圍內工作，并在1.5 A g^-1下提供226 F g^-1的高電容，穩定的循環壽命(92%)可達20000次循環。此外，HS NCS@MXene//AC–AHSC還具有80 Wh kg^-1的高能量密度，功率密度為1196 W kg^-1，超過了最近報道的性能。

DFT計算結果表明HS-NCS@MXene的電導率優于原始MXene和NCS。AHSC提供出色的電化學性能是由于HS-NCS@MXene復合材料中NCS和MXene的協同作用。這一策略不僅能證明HS-NCS@MXene發展的可能性，而且還能為未來制造高性能AHSCs混合電極的穩定界面開辟了道路。

原文詳情：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107624

本文由張熙熙供稿。