AEM：硫酸氧化MXene产生优化离子扩散路径用于高倍率超级电容器

过渡金属碳化物，氮化物和碳氮化物（MXenes）是一类快速发展的2D材料，在许多不同的应用领域已经得到了广泛地研究，如储能，电磁屏蔽，透明导电电极，环境与水处理，催化，传感器以及生物化学应用等。Ti₃C₂T_x是第一个被报道也是被研究最为深入的MXene材料，尤其是在超级电容器领域，在酸性电解质中可具有出色的质子诱导的赝电容。高达15,000S cm^-1的高电子导电性，高振实密度（高达4 g cm^-3）以及较高的赝电容（1500 F cm^-3）使Ti₃C₂T_x与其他材料相比具有优越的性能。然而，Ti₃C₂T_x电极会因为2D材料的堆叠而产生较长的离子传输通道，进而导致了超低的倍率性能。当应用于高面积能量密度和高倍率的电子设备的电源时，MXene电极必须保证足够的厚度以确保较高的电荷存储能力。

为了缓解Ti₃C₂T_x膜电极重堆叠的问题，研究者们已经提出了很多策略，其中包括典型的石墨烯、碳纳米管或其他纳米材料的层间嵌入，支柱结构设计，模板牺牲方法，垂直排列以及刻蚀等。然而，大多数已报道的方法虽然可以提高倍率性能，但是由于引入了非活性材料，过大的间距或低体积电容的活性材料，牺牲了整体的体积电容。考虑到氧化效应对性能提升方面的作用，化学氧化过程被认为是一种适用于大批量制备多孔结构Ti₃C₂T_x高效的方法。

最近，北京大学深圳研究生院潘锋教授，南方科技大学徐保民教授和美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授合作在国际知名学术期刊 Advanced Energy Materials上发表题目为： Optimizing Ion Pathway in Titanium Carbide MXene for PracticalHigh-Rate Supercapacitor的研究论文，报道了一种新型的，操作简单可控的浓H₂SO₄氧化方法，制备了不含有低电化学活性副产物（如TiO₂）的多孔、小片层Ti₃C₂T_x膜电极，极大程度地缓解了重堆叠问题，得到了优异的电容性能。

图片摘要. 优化前后，Ti₃C₂T_x膜电极超级电容倍率性能对比。

图1.Ti₃C₂T_x纳米片的浓H₂SO₄刻蚀过程以及分级纳米多孔结构的示意图。

图2.由浓H₂SO₄刻蚀的Ti₃C₂T_x纳米片的形貌以及结构变化。

图3. Ti₃C₂T_x刻蚀后的形貌与结构改变。

图4.Ti₃C₂T_x膜刻蚀前后的电化学性能对比。

图5.面积质量负载与膜厚度的关系。

图6.S-Ti₃C₂T_x膜不同厚度的电化学性能。

本文首次报道了通过控制H₂SO₄氧化而对Ti₃C₂T_x纳米片进行部分刻蚀，并且仅产生少量的非电化学活性位点的副产物。通过浓硫酸刻蚀，结合探针超声而实现的结构优化的Ti₃C₂T_x膜电极，在具有高质量负载的情况下，依旧可以产生超高的电化学性能，证明了减小的片尺寸，片上的小孔以及扩大的层间距（原子尺寸）是MXenes缓解重堆叠问题进而在高速率下不牺牲体积电容的三个关键因素。值得期待的是，这种方法可以应用于对其他MXene材料的改进与性能的提升。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdfdirect/10.1002/aenm.202003025

拓展：本工作是该团队利用可控氧化法在MXene面内造孔的第三部分工作。第一部分工作系统研究了不同阳极氧化程度对于MXene结构与电化学性能的影响，已发表于Angew. Chemie. Int. Ed上（DOI：10.1002/anie.201911604），第二部分通过激光光热氧化法实现了MXene的超快速氧化（~1s），该部分工作已发表于Energy. Storage. Mater.上（DOI：10.1016/j.ensm.2020.07.028）。