AS：同时具有高质量与体积容量的柔性自支撑MoO3/MXene复合膜

电化学电容器在电化学储能中一类具有代表性的储能器件，这是因为其结合了高功率密度，长循环寿命以及杰出的可靠性等优势。然而，电化学电容器的能量密度通常比较低，这就需要从体积容量C_v和质量容量C_g两方面最大化提升能量密度。考虑到C_v = C_g*ρ， ρ为电极密度，对于绝大多数的电化学电容器而言，C_g和ρ之间相互影响。像活性炭这种电极材料，具有较大的比表面积和快速的离子传输行为，因而具有较高的C_g的值，但是较低的密度导致了较低的C_v。与之相反，密度高的电极通常可以具有较高的C_v，但是离子可及性快速衰减进而导致了更低的C_g。因此，设计同时具有高体积容量和质量容量的电极是重中之重。

MoO₃因其低成本，无毒性，高电化学活性以及稳定性作为赝电容材料已经得到了广泛的关注，尤其考虑到其较高的理论容量（1005C g^-1）。这些优势使其非常有潜力成为实现同时具有高体积容量和质量容量的电极材料。特别地，稳定的层状的斜方晶系的α- MoO₃相在层间可以允许离子的快速嵌入与脱嵌，不产生结构塌陷，然而，其实际的比电容要比理论容量低很多，这是因为其较低的电子导电性，一般的反应动力学以及有限的暴露的活性位点。2D过渡金属碳/氮化物，MXenes，因其超高的类似金属的导电性（400-10，000 S cm^-1），亲水性的本质和可控的官能团使其在储能器件领域中成为一类非常有潜力的材料体系，尤其是电化学电容器应用。

最近，瑞典林雪平大学Per O. Å. Persson教授，Johanna Rosen教授和美国德雷塞尔大学Michel W. Barsoum教授在国际知名学术期刊 Advanced Science上发表题目为： Flexible Free-Standing MoO₃/Ti₃C₂T_z MXene Composite Films with High Gravimetric and Volumetric Capacities的研究论文，报道了具有不同质量比的Ti₃C₂T_z与MoO₃纳米带复合的无粘结剂，柔性自支撑膜，兼具高质量容量与体积容量。

图1.MoO₃/Ti₃C₂T_z膜的合成过程示意图。

图2. MoO₃/Ti₃C₂T_z的SEM图像与元素mapping分布。

图3. MoO₃/Ti₃C₂T_z的XRD和XPS表征。

图4. MoO₃/Ti₃C₂T_z的电化学性能测试。

图5. 8:2MoO₃/Ti₃C₂T_z//NAC混合电容器的电化学性能测试。

图6. 8:2MoO₃/Ti₃C₂T_z//NAC的Ragone图。

质量比为8:2的MoO₃/Ti₃C₂T_z膜在1 A g^-1的电流密度下具有837C g^-1的质量容量以及1836 C cm^-3的体积容量。杰出的电化学性能可以归因于以下几点：i) Ti₃C₂T_z的高导电性提供了电子快速传输的路径；ii）MoO₃纳米带缓解了Ti₃C₂T_z的重堆叠问题，暴露了更多的可用于储能的空间；iii）由于Ti₃C₂T_z的引入而导致的MoO₃的还原可进一步增加自由载流子的浓度并产生更多暴露的活性位点，从而实现电荷存储的快速动力学和更高的容量；iv）自支撑电极开放稳定的结构促进电解液的浸润，提升比电容的同时延长了循环性能；v) 高密度与高容量的Ti₃C₂T_z与MoO₃之间的协同效应，使高体积容量与质量容量成为了可能。

文献链接：

DOI:10.1002/advs.202003656

信息来源: MXene Frontier

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