Nature子刊：基于二維材料的逐層分級多孔碳材料有效提升超級電容器長循環穩定性

【引言】

近年來，二維材料以其巨大的表面積，柔性的層狀通道和可調控的電子結構在便攜電子產品和柔性可穿戴設備等領域展現出了巨大的應用潛力和廣闊的發展前景。其中，MXene作為二維材料家族的新成員，具有接近金屬的電子導電率，這一性質遠高于過渡金屬氧化物/硫化物、石墨烯等其他二維材料。同時，親水處理的MXene當作為超級電容器的電極材料時，它表現出了良好的電化學性能，遠遠優于碳基材料，受到了研究人員的廣泛關注。

MXene通常是指通過對體相MAX刻蝕后，得到的二維M_n+1X_nT_x復合材料，其中M代表前過渡金屬，X代表氧或氮，T代表-OH，-F等表面官能團，n=1，2，3。目前，已經有超過70種不同的純MAX相被相繼報道。

【成果簡介】

近日，日本國立物質材料研究所（NIMS）Yusuke Yamauchi教授和南京航空航天大學張校剛教授（共同通訊作者）團隊合作，通過設計二維有序介孔碳層填充進MXene層間空隙，制備出了“2D-2D”異質結構。其中，二維有序介孔碳層不僅可以有效阻止MXene層間團聚；同時，高度互聯的多孔網狀結構也縮短了離子的擴散路徑，提高了電子的傳輸速度。該方法有效地提高了MXene片層的循環穩定性，在4 A g^-1電流密度下，經7000次循環，電容保持率為98%。該成果以“Hierarchical porous carbons with layer-by-layer motif architectures from confined soft-template self-assembly in layered materials”為題于2017年6月12日發表在期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖一：MDC-OMC的制備流程示意圖

a）F127單聚體和酚醛樹脂小分子滲透進入Ti₃C₂T_x層間；

b）經烘干蒸發，在Ti₃C₂T_x層間形成二維有序的膠束@酚醛樹脂結構 （Mxene-F127 micells@resol）；

c）經熱處理后，膠束@酚醛樹脂轉變為有序介孔碳（Mxene-OMC）；

d）通過刻蝕，形成具有分級介孔結構的多孔材料（MDC-OMC）。

圖二：材料的形貌和結構表征

（a-b）Ti₃C₂T_x橫截面的SEM和TEM圖像；

（c-d）Ti₃C₂T_x-OMC橫截面的SEM和TEM圖像；

（e-f）MDC-OMC橫截面的SEM和TEM圖像；

（g-h）MDC-OMC頂視角的SEM和TEM圖像。

其中，圖a，c，e，g標尺為100 nm；圖b，d，f，h標尺為20 nm。

圖三：MXene-OMC的電化學性能研究

（a）在5 mV s^?1掃描速度下Ti₃C₂T_x-OMC，Ti₃C₂T_x/OMC，Ti₃C₂T_x和 OMC的CV曲線；

（b）不同電流密度下Ti₃C₂T_x-OMC，Ti₃C₂T_x/OMC，Ti₃C₂T_x和OMC的質量比電容曲線；

（c）不同電流密度下Ti₃C₂T_x-OMC，Ti₃C₂T_x/OMC，Ti₃C₂T_x和OMC的體積比電容曲線；

（d）Ti₃C₂T_x-OMC和Ti₃C₂T_x及其在高頻區放大的奈奎斯特曲線。

圖四：MDC-OMC的電化學性能研究

（a）在不同掃描速度下，MDC-OMC的CV曲線；

（b）在不同電流密度下，MDC-OMC的GCD曲線；

（c）在不同電流密度下，MDC-OMC，MDC/OMC，MDC和OMC的質量比電容（實心符號）和比表面積歸一化電容（空心符號）的比較曲線；

（d）在不同電流密度下，MDC-OMC，MDC/OMC，MDC和OMC的體積比電容曲線；

（e）MDC-OMC，MDC及其高頻區放大的奈奎斯特曲線；

（f）MDC-OMC循環性能曲線，插圖為在4 A g^-1電流密度下，第1圈與第7000圈的充放電曲線對比圖。

【小結】

該研究通過組裝二維Ti₃C₂T_x與二維有序介孔碳層的方法成功制備了“2D-2D”異質結復合材料。當用作超級電容器電極材料時，該材料由于物質間的協同作用表現出了良好的電容性能和超長的循環穩定性。值得注意的是，該方法為其他二維復合材料的制備提供了新的思路。

文獻鏈接：Hierarchical Porous Carbons with Layer-By-Layer Motif Architectures from Confined Soft-Template Self-Assembly in Layered Materials (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms15717)

本文由材料人編輯部郭靜編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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