mxene 学术专题
AFM：适用于高性能超级电容器的大层间距柔性Nb4C3Tx薄膜
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详细介绍
【导读】
413 Max相衍生的Mxene由于具有较厚的单层（四层过渡金属和三层碳或氮），因此可能具有优异的电和机械性能。本研究对Nb4C3Tx-MXene纳米片进行了分层，得到了层间距为1.77nm的独立膜，其厚度大于以往多数MXene纳米片。当将Nb4C3Tx独立薄膜作为超级电容器电极进行测试时，Nb4C3Tx在1 m H2SO4、1 m KOH和1 m MgSO4中显示出高容量电容。在循环过程中，因为MXene层之间的空间足以容纳阳离子的插入和脱嵌，因此21Å层间距几乎没有变化，这使得Nb4C3Tx-MXene储能装置性能趋于稳定。
【背景简介】
1.超级电容器在柔性材料的应用
便携式可穿戴电子设备的发展使得人们对清洁能源提出了更高要求。满足要求充电的方式有很多，如二次电池（锂、钠、钾等）、燃料电池、各种离子电容器等。但与其他报道的储能装置相比，超级电容器可以进行快速充放电来完成能量供应，超级电容器主要依靠两种不同的储能方式：电极/电解液表面的静电吸附和快速表面氧化还原反应产生的赝电容。目前，寻找适合超级电容器的高体积性能柔性材料已成为一个重要的研究目标。
2.MXenes在超级电容器中的优异性能
在纳米材料领域，二维材料因其具有较大的比表面积和良好的导电性而成为重要的储能材料。其中最引人注目的是由三元过渡金属碳氮化物刻蚀而成的MXene。目前已知的MXene材料有30多种，一般化学式为Mn+1XnTx，其中M为过渡金属，X为碳和/或氮，Tx为表面终端(OH, O, F)。Ti2CTx、Ti3C2Tx、V2CTx、Nb4C3Tx、Nb2CTx等MXenes在储氢领域具有良好的知名度和应用前景。 MXenes及其复合材料在光催化、太阳能电池、污水处理特别是储能领域中的超级电容器应用具有优异的电容性能。以Ti3C2Tx为例，以往的报道表明，在1 m H2SO4中电容高达900 F cm-3，在3 m H2SO4中电容高达1500 F cm-3。在6 m KOH中，在1 m KOH中电容为393 F cm-3（d-Ti3C2/CNT）和528 F cm-3（Ti3C2Tx/PVA-KOH）；在1 m MgSO4中电容为大约为280 F cm-3。这些电容值比其他大多数超级电容器电极都高。
图1. Mxene材料原理。
【文章介绍】
近日，Yury Gogotsi, Yu Gao, and Yohan Dall’Agnese等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials (2018 影响因子：15.62)上发表题为“Flexible Nb4C3Tx Film with Large Interlayer Spacing for High-Performance Supercapacitors”的研究性论文。本文第一作者是Shuangshuang Zhao。
作者表示在MXene家族的许多成员中，Nb基材料与Ti基MXene相比研究较少。Nb4C3Tx纳米片作为超级电容器材料的性能和电化学行为仍处于探索阶段，这可能是因为其较厚的单层使MXene分层更具挑战性。在锂离子电池中，多层Nb4C3Tx材料表现出比其他MXene材料更好的循环性能和倍率性能，因此作者预计其分层单分子膜可能表现良好。在本研究中首次将Nb4C3Tx分层，并研究了其柔性自支撑膜在酸性、碱性和中性电解质中的电化学行为和电容。采用原位X射线衍射（XRD）研究了不同电解质中的反应机理。研究了Nb4C3Tx水悬浮液和柔性膜的化学稳定性和结构稳定性，这将为Nb4C3Tx的储能和进一步应用奠定了基础。
图2. Nb4C3Tx结构与形貌表征
a) XRD pattern of Nb4C3Tx film. Inset shows a digital photo.
b) SEM image of a Nb4C3Tx film in cross-section (inset shows SEM image of a single fkake) and c) TEM image of a Nb4C3Tx flake. Inset in (c) shows a selected area electron diffraction pattern
图3. Nb4C3Tx结构与形貌表征
a) XRD patterns of Nb4C3Tx films treated at different temperatures in nitrogen.
b) Thermogravimetric curve.
c,d) SEM images after treatment in nitrogen c) at 400 °C and d) at 800 °C
图4. Nb4C3Tx结构与温度关系
a) In situ XRD patterns of a Nb4C3Tx film at different temperatures in vacuum.
b) Temperature dependence of c-lattice parameter calculated from (002) peak position
图5. Nb4C3Tx材料电化学性能
Electrochemical performance of Nb4C3Tx film. CVs at different scan rates in
a) 1 m H2SO4,
b) 1 m KOH, and
c) 1 m MgSO4.
d) Specific capacitance measured from corresponding CVs.
e) Cycle lives measured from galvanostatic charge–discharge at 2 A g−1 and
f) profiles in 1 m H2SO4.
文章链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000815
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