CuS修饰MXene用于非对称超级电容器

【背景介绍】
     随着世界上传统化石能源的枯竭，可再生能源的发展和新技术的应用引起了广泛关注。水性混合电容器作为一种储能设备，在可再生能源领域有广阔的应用潜力。由于它们具有超级电容器的高功率密度和电池的高能量密度的综合优势。一般而言，超级电容器按照电极材料的电荷存储机制可分为电化学双层电容（EDLC）和赝电容。双层电容是由电解液中电极表面离子的可逆吸附/脱附而来，电荷迅速积聚。双层电极材料主要是具有高比表面积和孔隙率的多孔碳材料。赝电容是一种法拉第过程，其存储来自电解质离子和活性材料之间的氧化还原反应的能量，常用的电极材料是过渡金属氧化物和导电聚合物，例如MnO2，RuO2，聚噻吩和聚吡咯。赝电容超级电容器具有高功率密度和良好的循环稳定性，但能量密度却相对较低。而电池的储能来自于电极中的氧化还原反应，其电化学反应受扩散控制。因此，电池始终展现出比超级电容器更高的能量密度。通过组合电容器型电极的高功率密度和电池型电极的高能量密度是构建混合电容器的有效方法。

【成果简介】
       近日， 华南理工大学Xionghong Ji教授报道了用CuS纳米粒子修饰2D Ti3C2材料的制备和相应的电化学性能测试。二维（2D）分层材料由于其独特的性能而成为电化学能量存储设备的合适电极材料，将CuS纳米颗粒水热分布在通过选择性刻蚀Ti3AlC2而获得的Ti3C2纳米片上，形成夹心状的Ti3C2 /CuS复合材料。基于标准的三电极系统，所有Ti3C2 /CuS复合电极与Ti3C2电极相比均具有增强的电化学性能以及剧烈的氧化还原反应。Ti3C2 /CuS复合电极的最佳比容量在1 A g-1的电流密度下高达169.5 C g-1，约为Ti3C2的5倍。复合电极比容量的提高归因于Ti3C2优异的电子电导率和CuS优异的电化学反应活性的协同效应。此外，以Ti3C2 / CuS复合材料为正极，Ti3C2 MXene为负极的典型非对称超级电容器器件在750.2 W kg-1的功率密度下具有15.4 W h kg-1的高能量密度，并在2 A g-1的电流密度下经过5000次循环电容保持率为初始电容的82.4％。这项工作中的策略可以扩展到其他二维层状材料的合成中。
         该成果在线发表于Journal of Materials Chemisty A:
    A facile method for synthesizing CuS decorated Ti3C2 MXene with enhanced performance for asymmetric supercapacitors

【图文导读】

图1合成Ti₃C₂ / CuS复合材料的合成示意图

图2（a）CuS，Ti3C2，TC-6，TC-9和TC-12的XRD图谱 （b）Ti3C2（002）峰的相应XRD放大图

图3  (a) Ti3C2, (b)TC-6, (c) TC-9, 和 (d)TC-12的SEM图像

图4 Ti3C2的（a）LRTEM图像，（b）HRTEM图像和（c）相应的SAED图案；TC-9的（d）LRTEM图像，（e）HRTEM图像，以及（f）相应的SAED图案

图5 TC-9的高分辨率XPS光谱：（a）Ti 2p，（b）C 1s，（c）Cu 2p，（d）S 2p，（e）O 1s和（f）F 1s

 图6（a）Ti3C2，CuS，TC-6，TC-9和TC-12电极在10 mV s-1的扫描速率下的CV曲线 （b）Ti3C2和（c）TC-9电极在不同扫描速率下的CV曲线

图7（a）为Ti3C2，CuS，TC-6，TC-9和TC-12电极在电流密度1 A g-1时的GCD曲线； （b）Ti3C2和（c）TC-9电极在不同电流密度下的GCD曲线；（d）Ti3C2，CuS，TC-6，TC-9和TC-12电极的比容量与电流密度的关系; （e）TC-9电极的循环性能；内图在5 A g -1下5000次循环前后TC-9电极的GCD曲线；（f）Ti3C2，CuS和TC-9电极的EIS曲线，内图高频区域中的放大曲线。

图8 TC-9 // Ti3C2不对称超级电容器的电化学性能（a）不同扫描速率下的CV曲线 （b）在不同电流密度下的GCD曲线 （c）比电容与各种电流密度的关系 （d）平均功率密度与能量密度比较图 （e）5000次循环后在2 A g-1的电流密度下的循环稳定性 （f）TC-9 // Ti3C2不对称超级电容器设备点亮红色LED

【本文总结】
    通过简易的水热法制备了具有三明治状结构的Ti3C2 /CuS复合材料。除了具有出色的Ti3C2纳米片的导电性和CuS优异的电化学反应活性外，插层式CuS纳米粒子还扩大了Ti3C2纳米片之间的距离，从而增大离子可及的表面区域并加快离子/电子传输，从而改善了Ti3C2 /CuS复合材料的电化学性能。在1 A g-1的电流密度下，复合材料作为碱性混合电容器正极，容量高达169.5 C g -1，在5 A g-1的电流密度下进行5000次充电/放电循环后，其容量保持率为90.5％。TC-9// Ti3C2非对称超级电容器器件在750.2 W kg-1的功率密度下显示出15.4 Wh kg-1的高能量密度，并且在电流密度为2 A g-1时经过5000次循环后仍保持初始电容的82.4％。这项工作表明，所制备的Ti3C2/ CuS复合材料是一种很有前途的电极材料，它推动了高性能电化学储能的发展。

文献链接：
DOI: 10.1039/c9ta00085b

消息来源：微信公众号  MXene Frontier