3DMXene@过渡金属硫化物超级电容器电极

【研究背景】

由于全球对能源需求的不断增加，人们开始对新型高性能储能设备进行了广泛的研究。诸如电化学电容器（EC）之类的超级电容器由于其快速的充/放电性能，高功率密度和出色的循环寿命而作为电动汽车，可穿戴设备和便携式电子设备中电池的补充储能设备而具有广泛的应用。2011年，MXenes被报道为一种新型的二维类石墨烯材料。然而，与石墨烯相比，MXenes由于其金属的导电性和亲水性，具有比表面积大、电导率高、循环稳定性好等优点，被认为是一种很有前途的二维超级电容器材料。然而，它的低比容量限制了它的广泛应用。

【成果简介】

最近，汉阳大学Min Jae Ko教授团队为了解决这个问题，在导电泡沫镍上的MXene表面均匀沉积了NiCo₂S₄纳米薄片（称为MXene-NiCo₂S₄@NF），用作超级电容器应用中的无粘结剂复合电极。NiCo₂S₄纳米薄片增加了复合电极的表面积，从而在1 A g^-1时将其比容量从106.34 C g^-1增加到596.69 C g^-1。与原始MXene相比，MXene-NiCo₂S₄@NF保持了原始MXene的高保留率，并且在3000次循环后显示出优异的循环稳定性，为初始比容量的80.4％。由于NiCo₂S₄（高比容量）和MXene（高保留率和良好的循环稳定性）的综合优点，复合电极对超级电容器的电化学性能有所改善。以MXene-NiCo₂S₄为正极，活性炭为负极，制作的非对称固态超级电容器在0.48 kW kg^-1的功率密度下显示出27.24 Wh kg^-1的能量密度。该成果在线发表于Journal of Industrial and Engineering Chemistry：3D Hierarchical Transition-Metal Sulfides Deposited on MXene as Binder-Free Electrode for High-Performance Supercapacitors

【图文导读】

图1. MXene-NiCo₂S₄电极制作工艺示意图

图2. (a) MXene-NiCo₂S₄的XRD图谱和(b) XPS测量光谱;(c, d) Ni 2p和s2p区域的核级谱

图3.（a，b）SEM（（a）和（b）的内图显示了插入的MXene）和（c，d）在不同放大倍数下的MXene-NiCo₂S₄电极的TEM图像 （d）内图显示了SAED图谱

图4.（a）60-MXene-NiCo₂S₄@NF电极在不同扫描速率和CV曲线和（b）不同电流密度下的GCD曲线（c）MXene，NiCo₂S₄以及不同比例的MXene-NiCo₂S₄的比容量；（d）60-MXene-NiCo₂S₄@ NF电极和0-MXene-NiCo₂S₄ @ NF电极在10 A g^-1时几个循环后的循环稳定性和（内图）60-MXene-NiCo₂S₄@ NF样品在3000个循环后的SEM图像

图5.（a）ASC器件示意图（b）在不同扫描速率下器件的CV曲线 （c）在不同电流密度下器件的充放电曲线（d）ASC器件的功率密度和能量比较图

【本文总结】

本研究制备了新颖的3D MXene-NiCo₂S₄纳米结构作为化学电容器的无粘合剂电极。所提出的结构不仅克服了MXene的低比电容，而且改善了TMS的弱循环稳定性和低电导率。首先，合成了MXene胶体溶液，并在不使用粘合剂的情况下将其固定在NF上，这有效降低了内部电阻并加速了电荷传输。然后，将前体电沉积在MXene纳米片的表面上，向其中添加九水合硫化钠，然后通过水热法阴离子交换反应进行硫化。制成的MXene-NiCo₂S₄电极表现出出色的电化学性能，具有高比容量（在1 A g^-1时为596.69 C g^-1）和优异的循环稳定性（3000次循环后仍保持初始容量的80％）。循环稳定性主要归因于MXene结构的独特纳米结构，其不仅提供了大表面积，而且还承受由于施加电荷以及氧化还原反应而引起的体积变化。此外，以MXene-NiCo₂S₄作为正极AC作为负极组装的ASC装置表现出27.2 Wh·kg^-1的高能量密度和0.48 kW·kg^-1的高功率密度。结果表明，提出的3D纳米结构可以改善超级电容器和其他储能设备的性能。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.10.028