吉林大學高宇Nano Lett：用于全固態柔性超級電容器的金屬離子誘導多孔MXene電極

導讀

超級電容器因其優異的循環使用壽命和高功率密度，在日常生活中應用廣泛，但其能量密度較低，無法滿足一些需要長時間供能的電子器件。此外，一些可穿戴設備和便攜式裝置的興起，對供能器件的柔性提出了新的要求。為了在提供高能量密度和功率密度的同時，實現柔韌性與靈活性，需要開發新的材料和設計新的器件結構。MXene是一種二維過渡金屬碳氮化合物，因其獨特的二維層狀結構、優異的導電性和親水性，在儲能領域得到了廣泛的應用。然而，MXene片層之間存在較大的范德華力，導致其相互堆疊，層間距減小，阻礙了離子的進入，降低了材料的電化學性能。因此，設計具有較大層間距和柔性的MXene電極對于提高超級電容器的電學和力學性能至關重要。

成果掠影

近日，吉林大學高宇教授及其合作者在國際著名期刊納米快報（Nano Letters）上發表了基于MXene基多孔電極全固態柔性超級電容器的最新研究“Metal Ion-Induced Porous MXene for All-Solid-State Flexible Supercapacitors”，該工作采用乙酸鹽對MXene進行處理，使得MXene片層發生膨脹，并形成多孔結構，較大的層間距有利于離子在層間快速擴散，而多孔結構則增強了離子在垂直于片層的方向上的移動，從而提高了材料的插層贗電容。該多孔電極在100 A/g的高電流密度下，具有超十萬次的循環性能。

核心創新點

該工作通過一步處理法，在MXene制備過程中加入乙酸鹽，陽離子的嵌入同時擴大了層間距，并通過分解納米片形成多孔結構，層間距的擴大促進了離子的橫向遷移，多孔結構則提升了離子的縱向遷移。

數據概覽

圖1. MXene多孔電極的制備過程和微觀結構表征。 ? American Chemical Society

a）電極的制備流程示意圖

b-c）MXene材料的高分辨率TEM圖像

d-e）MXene材料的SEM圖像

f-i）MXene材料的EDS能譜圖

圖2. 不同方法制備的MXene電極的表征對比。 ?? American Chemical Society

a）不同方法制備的MXene電極的XRD圖像

b-c）不同方法制備的MXene電極的XPS圖像

c）不同方法制備的MXene電極的孔隙分布對比

圖3. MXene多孔電極的電化學性能測試。 ?? American Chemical Society

a）MXene電極在不同掃速下的CV曲線

b）MXene電極在不同電流密度下的GCD曲線

c）不同MXene電極在不同掃速下的比容量變化對比

d）不同MXene電極在不同電流密度下的比容量變化對比

e）MXene電極的容量變化和容量保持率與循環次數之間的關系

圖4. 乙酸鹽對MXene電極處理的機理分析。 ?? American Chemical Society

a）乙酸鹽處理前后的MXene電極的XRD圖像對比

b-c）乙酸鹽處理前后的MXene電極的原位XRD圖像對比

d）第四圈時，乙酸鹽處理后的MXene電極的原位XRD圖像

圖5. 全固態對稱超級電容器的電化學性能。 ? American Chemical Society

a）超級電容器器件示意圖

b）超級電容器在不同掃速下的CV曲線

c）超級電容器在不同電流密度下的GCD曲線

d）超級電容器在不同電流密度下的容量變化

e）高掃速下，乙酸鹽處理前后的電極制備的超級電容器的CV曲線對比

f）不同工作的能量密度與功率密度的對比

g）乙酸鹽處理前后的電極制備的超級電容器的循環性能對比

成果啟示

該工作提出了一種簡單的方法來控制MXene材料的表面形貌和化學性質，通過加入乙酸鹽對MXene材料進行處理，不僅擴大了MXene片層的層間距，還在電極表面形成多孔結構，在進一步提升電極電化學性能的同時，還提升了電極的柔性。以該電極制備的全固態對稱超級電容器具有38.4 Wh/cm³的能量密度和55.3 W/cm³的功率密度。基于其簡單的制造工藝和優異的電化學性能，該工作為MXene性能調控提供了另有前途的方法。

文獻鏈接

Nano Letters：Metal Ion-Induced Porous MXene for All-Solid-State Flexible Supercapacitors

DOI：10.1021/acs.nanolett.2c04320

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