JHM：分级多孔‘皮肤/骨架’状MXene/生物衍生碳纤维全固态超级电容器

柔性全固态超级电容器作为一种高功率密度和长循环寿命的储能设备，在现代可穿戴电子产品领域引起了广泛关注。其中，柔性电极是最关键的因素，它不仅需要良好的导电性和高电容，还需要良好的柔韧性。目前，常用的电极材料主要包括碳纳米管，石墨烯，其他碳基材料以及一些赝电容活性材料（Co₃O₄，NiO，PPy等）。然而，仍然存在许多挑战，例如具有良好电导率和稳定性但电容较低的碳材料，具有高电容但电导率和稳定性较差的赝电容材料。因此，复合电极的设计是弥补单电极材料不足的重要途径。

最近，武汉大学潘春旭教授和Li Sun博士在国际知名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表一篇题目为：Hierarchical Porous “Skin/Skeleton”-Like MXene/Biomass Derived Carbon Fibers Heterostructure for Self-supporting, Flexible All Solid-State Supercapacitors的研究论文，本文报告了一种简单的方法通过直接热解浸渍有MXene溶液的商用棉纤维擦布（CFW）来制备分层的“皮肤/骨架”状MXene /生物质衍生碳纤维（MXene/CF）异质结构。在MXene/CF中， Ti₃C₂T_x纳米片不仅覆盖了CF表面，而且还充当了CF之间间隙的桥梁。这种新设计的结构削弱了Ti₃C₂T_x纳米片的堆叠，构造了可以使离子快速进入的分层多孔结构电极。MXene / CF结合了高导电性的Ti₃C₂T_x纳米片为电子传输提供有效和稳定的通道。将MXene / CF异质结构用作超级电容器中的自支撑电极时，该电极具有较高的质量和体积电容，优异的倍率性能和良好的循环稳定性。另外，固态对称超级电容器都可以任意变形，并且电化学性能没有明显变化。多孔的“皮肤/骨架”状MXene / CF异质结构的制备为可穿戴电子设备的设计和制造提供了新的策略，以进一步满足可持续发展的要求。

图1. MXene / CF合成示意图

图2. (a)-(b)CF; (c)-(d) MXene/CF的SEM图像

图3.样品的微观结构表征：（a）XRD图；（b）拉曼光谱；（c）N ₂吸附-解吸等温线；（d）孔径分布。

图4.（a）XPS图，（b）Ti 2p和（c）MXene / CF的接触角

图5. MXene / CF的机械和电学性能：（a）数字图像；（b）在弯曲条件下保持电导率

图6. 在6  MKOH中三电极装置中的电化学性能

图7. MXene /CF-SSC的电化学性能

图8. MXene /CF-SSC在不同弯曲条件下的电化学性能

本文通过对MXene溶液浸渍的CFW进行一步热解来制备分层的“皮肤/骨架”状MXene / CF异质结构。类“皮肤/骨架”异质结构结合了CF的稳定柔韧性和MXene的出色导电性。CF支撑MXene纳米片构建多孔网络，从而有效抑制MXene的自堆积和聚集，并促进电解质离子的快速扩散和转移。异质结构降低了内部电阻，这有助于在充电/放电过程中电子的高效快速传输，并保证了高功率输出。当MXene / CF异质结构用作超级电容器的自支撑电极时，该电极的电容值为7.14 F  cm ^-3和在电流密度为0.5  A  g ^-1 时357  F  g ^-1，在电流密度为100  A  g ^-1下仍显示出63.9％的容量保持率。此外，MXene / CF电极具有出色的循环稳定性（5000次循环后几乎没有电容衰减）。MXene / CF-SSC器件显示出0.22 mWh cm ^-3（10.6  Wh  kg ^-1）的高能量密度和250.2  W  cm ^-3（12780  W  kg ^-1的最大功率密度），远远高于先前报道的水性电解质中碳基和MXene基的超级电容器。即使在不同的弯曲角度下经过2500次循环后，MXene / CF-SSC仍具有良好的柔韧性，保持结构完整性和高电容。由于电化学性能和结构的改进，这项工作为将来设计和开发高性能，灵活，可穿戴和便携式MXene基储能设备提供了一种方法。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124565

信息来源：MXene Frontie

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