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
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详细介绍
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。Ti3C2Tx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Ti3C2Tx与其他材料相比具有优越的性能。然而,Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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,Ti3C2Tx膜电极超级电容倍率性能对比。
图1.Ti3C2Tx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Ti3C2Tx纳米片的形貌以及结构变化。
图3. Ti3C2Tx刻蚀后的形貌与结构改变。
图4.Ti3C2Tx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-Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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)。
信息来源:MXene Frontier
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