MOF+MXene制备高性能超级电容器电极材料

背景

      过渡金属磷酸盐因其理论比电容高、天然丰度高、环境和生物学无害性而被广泛报道，是超级电容器理想的候选电极材料之一。此外，由于其结构中存在坚固的P-O四面体，过渡金属磷酸盐表现出优异的稳定性和适用性。尽管之前的一些工作已经证明了过渡金属磷酸盐的优势，但它们仍然存在孔隙率有限、电化学比表面积低和导电性差等问题，导致缓慢的电化学反应动力学过程。因此，开发一种新的过渡金属磷酸盐电极制备合成策略十分关键。

全文导读

        鉴于此，通过在MXene纳米片上自组装形成Ni-MOF无定形纳米球，随后通过蚀刻反应将MOF纳米球原位转化为分级多孔磷酸镍纳米球，制备得到MXene-NPO材料。多孔磷酸镍纳米球固定在MXene纳米片上，使磷酸镍和MXene之间能够实现快速电子传输，解决了磷酸镍的低电导率问题。同时，多孔磷酸镍纳米球可以防止MXene纳米片的聚集，保持了层状结构，利于在电极内的快速离子迁移。该电极材料在0.5 A g-1时表现出639 C g-1的高比容量，并且在10000次循环后具有85%容量保持率的出色循环稳定性。使用MXene-NPO作为负极和对苯二胺功能化还原氧化石墨烯(PPD-rGO)为正极制备的不对称超级电容器，在932 W kg-1的功率密度下表现出高达72.6 W h kg-1的可观能量密度。因此，该设计策略对高性能电极材料的制备具有重要的指导意义。相关论文成果以“Self-assembly of MOF on MXene nanosheets and in-situ conversion into superior nickel phosphates/MXene battery-type electrode”为题发表在Chemical Engineering Journal上。

      MXene上原位修饰的无定形MOFs衍生的磷酸镍的制备过程。首先通过利用HF水溶液蚀刻Ti3AlC2粉末获得MXene纳米片。所制备的MXene纳米片提供了丰富的层间官能团和宽表面以加速无定形MOF的原位生长，并获得了MXene-MOF。随后，利用KH2PO4作为磷源，对MXene-MOF进行水热处理以实现MOF的原位磷酸化，MOF球体被蚀刻成分级多孔的磷酸镍纳米球，从而得到MXene-NPO。

图1所示：MXene-NPO的合成路线示意图。

图2所示：a)PXRD图；b)FTIR光谱图；c-f)分别为Ni2p、Ti2p、O1s和P2p的高分辨率XPS谱图；g)N2吸附/解吸等温线和孔径分布曲线；h)构建的用于计算的MXene-NPO模型和不同原子的DOS。

图3：a-d)MXene-MOF和MXene-NPO样品的形态特征；e-f)MXene-MOF的TEM图像；g-h)MXene-NPO的TEM和HRTEM图像；i)MXene-NPO的元素分布图。

图4所示：a)所制备的几种电极材料在5mv s-1下的CV曲线对比；b)电极材料在0.5A g-1下的GCD曲线对比；c)MXene-NPO电极在不同电流密度下的GCD曲线；d)所制备的几种电极基于GCD曲线计算的比容量对比；e)Nyquist图（插图是等效电路）；f)所制备电极在10 A g-1下的长循环性能。

图5所示：a)MXene-NPO//rGO非对称超级电容器在不同扫描速率下的CV曲线；c)MXene-NPO//rGO非对称超级电容器在不同电流密度下的GCD曲线；d)MXene-NPO//rGO非对称超级电容器与之前报道的结果相比的Ragone图；e)MXene-NPO//rGO电容器在5 A g-1下的循环性能；f)MXene-NPO//rGO电容器的实物图。

总结

       通过利用MXene上丰富的具有电负性的活性位点来促进MOF的成核和生长，并且随后将其原位转化为多孔磷酸镍，成功制备了先进的MXene-NPO电极材料。MXene-NPO在电化学反应过程中促进了磷酸镍和MXene之间的电子转移，同时多孔的磷酸镍纳米球固定在MXene纳米片上，阻止了它们的聚集，有助于维持层状结构，使离子在电极内快速迁移，实现了长时间的充放电循环。该电极材料在0.5 A g-1时表现出639 C g-1的显著比容量和经过10000次循环后的出色稳定性。使用MXene-NPO作为负极，PPD-rGO作为正极制造的非对称超级电容器在932 W kg-1的功率密度下表现出72.6 W h kg-1的可观能量密度，在10000次循环后具有高达94%容量保持率的优异循环稳定性。这项工作为制备具有巨大潜力的高性能电极材料提供了新的策略。

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