Nano Energy：克服堆叠有妙招，MXene超电没烦恼

【工作简介】

MXene作为储能器件领域的理想材料之一，受到广泛关注。然而，像其他二维材料一样，MXene在制备和应用过程中也面临着自堆叠的问题，这造成电化学活性表面的降低，同时电解液在电极中的浸润以及离子传输等都会因此受到影响。为了克服纳米片自堆叠问题，同时提升面内离子电导率，来自Université Paul Sabatier的Frédéric Favier等首先以MgO纳米颗粒作为硬模板，成功制备了expanded MXene (EM) 电极，相比于原始MXene纳米片，EM电极展现了良好的电化学性能。

同时，研究人员还以尿素作为分子模板，并通过后续的热处理过程得到了Ti3C2Tx-MXene foam (MF)，同样的，此独特的多孔结构克服了自堆叠带来的缺点，并展现了良好的电化学性能。MF作为超级电容器电极材料具有很高的电容，尤其在较高倍率下仍具有良好的性能表现。该工作以“Modifications of MXene layers for supercapacitors”为题发表在顶级能源类期刊Nano Energy上。

【图文导读】

图1. 不同MXene样品制备示意图：最上为MXene薄膜制备；中间为MgO辅助制备EM；最下为尿素分子模板制备MF。

图2. 不同样品的XRD图谱：(a) Ti3AlC2 MAX相, (b) MXene, (c) EM, (d) MF。

图3. 不同样品SEM照片：(a) Ti3AlC2 MAX 相, (b) MXene, (c-d) EM, (e-f) MF。

图4. （a）MXene薄膜与（b-d）MF的表面形貌SEM照片。

图5. 三电极体系中，1M KOH作为电解液时，无需粘结剂的电极材料电化学性能表征：（a）不同样品在5 mV s-1扫速下的CV曲线对比；（b）MF电极在不同扫速下的CV曲线；（c）各个对比样品的比电容随电流密度的变化对比；（d）电流密度5 A g-1并循环5000圈下，不同样品的容量保持对比。

图6. 不同对比样品作为电极时，离子在电极中传输的示意图。

图7. MF//MF对称电容器的电化学测试：（a）不同扫速下CV曲线；（b）电流密度为5 A g-1时循环性能测试。

图8. MF//MnO2非对称电容器的电化学测试：（a）不同扫速下CV曲线；（b）不同电流密度下的恒流充放电测试；（c）比能量，能量密度随功率之间关系图；（d）循环保持率。

【工作总结】

该工作通过硬模板法以及造孔法分别制备了扩层MXene和MXene泡孔材料，从而解决的作为二维材料的MXene面临的自堆叠问题。同时，在1M KOH电解液体系中，扩层MXene和MXene泡孔材料相较于原始的MXene材料，其电化学性能具有很大提升。

这得益于通过克服自堆叠而增加的电化学活性表面以及良好的离子传输能力。此外，无论是MF//MF对称电容器还是MF//MnO2非对称电容器都展现了优异性能。此工作为MXene纳米片的储能器件电极中的应用提供了良好的思路。

【参考文献】

Y. Zhu, K. Rajoua, S. Le Vot, O. Fontaine, P. Simon, Fréé. Favier, Modifications of MXene layers for supercapacitors, Nano Energy (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104734.

信息来源:DT新材料