超快成形激光誘導合成MXene量子點/石墨烯用于工業化生產透明超級電容器

一、導讀

電子產品的未來發展方向是便攜、輕薄、柔性和光學透明。因此，透明性、微型化和柔性也成為電源的主要研究方向。透明超級電容器具有超薄、超高透光、超高功率、超高壽命等其他儲能設備無法比擬的優點，成為未來透明電子系統的關鍵部件。而在透明超級電容器的設計中，電極設計尤其重要，因為它需要在能量存儲能力和透明度之間做平衡。

已經工業化應用的氧化銦錫透明導電電極由于其固有的脆性和高昂的制備成本，并不適用于柔性電子應用。近年來，透明柔性超級電容器得到了長足的發展，研究者利用石墨烯和碳納米管等材料來制備電極，通過減少電極厚度、制備金屬網絡電極來保證透明度。并且，純碳基材料的電容和體積密度比具有贗電容性質的材料低得多。MXenes是一種具有獨特結構的二維材料，無污染，安全，比電容高，受到了透明電極設計方向研究者們的青睞。以前的報道表明，由材料碎片化或量子化產生的納米間隙可以大大提高透明度。量子點(QDs)材料是一種出色的高度透明的材料，具有納米級的直徑、有用的光學特性，并且比表面積大、邊緣易于離子吸附-解吸。目前產生量子點材料的方法中，液體激光燒蝕作為一種潛在的環境友好、原位可控的量子點制備方法，引起了人們的注意。然而，由于傳統激光器聚焦范圍有限，在液體環境下強度減弱，制備量子點的燒蝕效應有限，嚴重限制了量子點的加工效率和成品率。此外，采用該方法一步完成制備的難度較大。

二、成果掠影

北京理工大學姜瀾教授團隊報道了一種飛秒激光原位方法，制備了MXene量子點(MQD)/激光還原氧化石墨烯(LRGO)透明柔性超級電容器，表現出了優異的電化學性能和透明度。

相關研究工作以“Ultrafast Shaped Laser Induced Synthesis of MXene Quantum Dots/Graphene for Transparent Supercapacitors”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。

三、核心創新

報道了一種制備透明電化學儲能裝置的新方法，研究結果為量子電容效應提供了更深入了解。該方法是一種利用飛秒激光光化學合成MXene量子點，均勻附著在具有優異電化學電容和超高透明度的激光還原氧化石墨烯(LRGO)上的方法，該方法制備了具有高電化學性能和透明性的納米結構復合電極材料。同時對合成過程的機理和等離子體動力學進行了分析。該柔性透明超級電容器制備簡單，具有超高透明度(90%以上)、具有優異的能量和功率密度(分別為2.04 × 10^-3和129.4 μWh cm^-2)和較長的循環壽命(12 000次循環后97.6%)。此外，通過控制MQD/LRGO的噴灑量，可以有效地調節超級電容器的電化學電容和透明度。透射率為91%和53%的器件的面電容分別為10.42 mF cm^-2和64.6 mF cm^-2。

四、數據概覽

圖1 三種不同類型激光在氧化石墨烯色散溶液中處理MXene靶的原理圖和過程機理。a)高斯激光器的過程機理和光場模擬圖像。b)時間型激光器的過程機理和光場模擬圖像。c)時間型和空間型激光的過程機理和光場模擬圖像。d-f)三種不同類型激光器的光場模擬圖像，材料經過一定時間處理后的對比照片，以及掃描電子顯微鏡照片和x射線光電子能譜表征。? 2022 John Wiley & Sons

圖2 MQD/LRGO復合材料形成過程示意圖。a)局部放大的氧化GO分散體和MXene靶的TSBL局部放大圖。b)不同時延在界面的等離子體成像。c) MXene靶體/GO懸浮界面等離子體噴發圖像。? 2022 John Wiley & Sons

圖3 三種不同類型激光加工MQD/LRGO復合材料的效果比較。a) TSBL處理過程。b,c) MXene、GO、GL-MQD/LRGO、TL-MQD/LRGO、TSBL-MQD/LRGO的拉曼光譜。d) MXene、GO、GL-MQD/LRGO、TL-MQD/LRGO、TSBL-MQD/LRGO的x射線衍射(XRD)圖譜。e) MXene、GO、GL-MQD/LRGO、TL-MQD/LRGO、TSBL-MQD/LRGO的XPS測量譜。? 2022 John Wiley & Sons

圖4 用TSBL對MQD/LRGO進行了分析和光譜表征。a) MQD/LRGO的截面SEM圖像。b,c) LRGO上附著MQD的表面的SEM圖像。d)加載MQD后有褶皺的LRGO的FE-SEM圖像。e) LRGO上TSBL-MQDs的透射電鏡(TEM)圖像。f) LRGO和MQD晶格的HRTEM圖像。g,h) TSBL-MQDs結果的原子力顯微鏡(AFM)圖像。i) MXene、GO、GL-MQD/LRGO、TL-MQD/LRGO、TSBL-MQD/LRGO的傅里葉變換紅外(FTIR)光譜。j) MXene、GO、GL-MQD/LRGO、TL-MQD/LRGO、TSBL-MQD/LRGO的UV-vis吸收圖譜。k) TSBL-MQDs的光致發光(PL)光譜(實線)和PL激發(PLE)(虛線)。l) TSBL-MQDs的生命期。? 2022 John Wiley & Sons

圖5 不同激光制備的MQD/LRGO超級電容器的電化學表征。a) MQD/LRGO透明柔性固態超級電容器制備過程演示示意圖。b,c)不同MQD/LRGO超級電容器在20 mV s^-1和0.64 mA時的循環伏安(CV)和恒流充放電(GCD)圖。d)通過CV曲線和GCD曲線得到不同MQD/LRGO超級電容器的面積比電容。e-g)掃描速率為1 ~ 50 000 mV s^-1時TSBL-MQD/LRGO超級電容器的CV曲線。h)不同掃描速率下的面積電容和重量電容。i)在1.2 V電壓窗口下，電流密度為0.6 ~ 1.2 mA cm^-2的TSBL-MQD/LRGO超級電容器的GCD剖面。j)不同電流密度下的面積電容和重量電容。? 2022 John Wiley & Sons

圖6 TSBL-MQD/LRGO超級電容器的光學和電化學性能。a,b)柔性、透明的MQD/LRGO在PET襯底上的照片，顯示出高透光率。c)采用300 ~ 800 nm不同激光制備的MQD/LRGO混合薄膜的透射率。d)不同MQD/LRGO超級電容器的Nyquist圖(圖示為等效電路模型)。e)超級電容器在不同彎曲狀態下與扁平狀態下的電容保留比較。f) TSBL-MQD/LRGO超級電容器的循環壽命。g)不同透射率的TSBL-MQD/LRGO超級電容器的面電容測量值。h)不同透明超級電容器實測面電容比較。i) TSBL-MQD/LRGO超級電容器的Ragone圖，以及與其他透明超級電容器的比較。? 2022 John Wiley & Sons

五、成果啟示

文章展示了一種既具有高透明度又具有高能量存儲能力的超級電容器的新合成方法，該方法首次應用飛秒激光合成復合電極材料。文章從四個維度詳細解釋了成形激光對復合電極材料的調控，對QD產生機理有了新的認識，并結合多種方法對材料的合成過程進行了多維度的觀察和分析。實驗獲得的納米級均勻分布的MQD，具有豐富的有源邊緣位點，高載流子遷移率，以及連接在LRGO上的大SSA，具有良好的導電性和靈活性，出色的機械彎曲性和長期循環穩定性。這些發現證明了這種新方法在納米結構復合材料的設計和開發中實現工程2D材料的有效性，可應用于未來工業生產，并為量子電容效應提供了更深刻的理解。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202110013

本文由霧起供稿。