MXene-导电聚合物非对称赝电容器

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【研究背景】

超级电容器由于其高功率密度，长循环寿命，安全操作，宽温度工作范围和低成本而引起了人们的极大兴趣。超级电容器具有广阔的应用前景，包括混合动力电动汽车，能源储存与再生和航空航天工业。基于超级电容器的电荷存储机制，超级电容器可分为两类：双电层电容器（EDLC）和赝电容器。商用超级电容器主要是EDLC，它依赖于电极/电解质界面上离子的可逆静电吸附。高比表面积的材料（例如多孔碳或石墨烯）因其低成本和高电子传导性而被认为适用于EDLC。然而，EDLC的关键挑战是其较低的能量密度，为了克服这个问题，使用通过表面氧化还原反应存储电荷的赝电容材料具有很大的潜力。导电聚合物（CPs）是典型的赝电容材料，在水性质子电解质中，在正电压下表现出高电容。通过使用不同的负极来组装非对称超级电容器，扩大其在水性电解质中的电压窗口（从而提高能量密度）。

【成果简介】

2018年，德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授在国际知名学术期刊Advanced Energy Materials上发表了一篇题目为：MXene—Conducting Polymer Asymmetric Pseudocapacitors的研究论文，文章报道了2D碳化钛（Ti₃C₂T_x）MXene作为一种通用赝电容负极材料，与沉积在还原氧化石墨烯（rGO）片材上的一系列导电聚合物（CPs），例如聚苯胺，聚吡咯和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）构成非对称器件。其可在3M H₂SO₄中在高达1.45 V的电压窗口下运行，并表现出出色的循环性能，优于许多报道过的非对称赝电容器。

【图文导读】

图1. a）CP沉积在rGO纳米片（CP@rGO）上的示意图 b）有机-无机全赝电容非对称超级电容器的示意图

图2. 沉积在rGO纳米片上的 a）PANI（PANI@rGO）， b）PPy（PPy@rGO），c）PEDOT（PEDOT@rGO）的SEM图像。MXene电极片的d）SEM图像和e）显示其边缘的TEM图像 f）PANI@rGO，PPy@rGO和PEDOT@rGO的拉曼光谱 g）相应的FTIR光谱

图3. 沉积在rGO纳米片上的a）PANI（PANI@rGO），b）PPy（PPy@rGO），c）PEDOT（PEDOT@rGO）的CV曲线 d）PEDOT@rGO的GCD曲线 e）PPy@rGO的GCD曲线 f）相应的倍率性能

图4. 单个电极的CV曲线：含a）PANI-，b）PPy-，c）PEDOT-的复合物和碳化钛（Ti₃C₂T_x） d–f）相应器件在5至100 mV s^-1的扫描速率下的CV曲线

图5.全赝电容器件中的电荷存储机制