【研究背景】

随着石墨烯的出现，其他二维材料（例如δ-MnO₂，MoS₂和MXene）受到材料科学界的关注，与其他碳质材料相比它们提供了独特的“平面”物理特性，和大量的表面活化机会。已经在包括电化学能量存储在内的许多应用领域中进行研究。在相应的器件中，表面和边缘缺陷都有助于电荷的存储。因此，可以利用层间平面内强共价键和平面外弱范德华相互作用，发展化学策略来提供或调整其他的活性位点。这些过程通过许多化学和物理方法实现，包括剥离，插层和杂交。其主要思想是防止单个2D层重新堆叠的自然趋势，以使表面能最小化，就像在原始材料中一样。通过纳米级的化学工程，将具有不同化学组成和物理特性的2D材料层关联起来，为利用由此产生的协同效应提供了极好的机会。因此，在所得的复合，扩展，混合材料中，层之间开放的2D空间可以提供一个非常适合离子吸附和传输的“路径”。

【成果简介】

法国蒙彼利埃大学Frédéric Favier教授课题组在国际知名学术期刊Nano Energy上发表一篇题目为：Modifications of MXene Layers for Supercapacitors的研究论文，该研究通过使用两种不同的方法来防止Ti₃C₂T_x-MXene层的重新堆叠：简便的硬模板法和孔形成法。使用MgO纳米颗粒作为硬模板来膨胀MXene显示出基于皱褶层的开放形态。相应的电极材料在5000次充放电循环中在1 A g^-1表现180 F g^-1的电容，并在5 A g^-1保持了其初始电容的99％。另一方面，在将MXene-尿素复合物在550℃下加热之后制备的MXene泡沫在表面层上显示出许多大孔和复杂的开放式3D内部结构。由于这种泡沫状多孔结构，基于所得的MXene泡沫的无粘合剂电极在5 A g^-1电流密度下显示出203 F g^-1的大电容，经过5000次循环后仍保留了99％。相比之下，原始的MXene基电极在相同的工作条件下仅提供82 F g^-1。在MXene泡沫负电极和MnO₂正电极上构建的不对称器件的能量密度为16.5 Wh kg^-1（或10 Wh L^-1）和160 W kg^-1（或8.5 kW L^-1）功率密度。这些纳米工程二维材料的增强性能有力地证明了所选择的合成方法可有效解决MXene层的重新堆叠问题。

【图文导读】

图1. 制备各种形式的MXene的合成方案，作为剥落后的重堆积材料（上图），在MgO纳米颗粒存在下重堆积后膨胀的MXene（中图）和在尿素存在下热处理得到的MXene泡沫（下图）

图2. 相应材料的XRD图谱

图3.侧面图的SEM图像

图4. 原始MXene (a)和MXene泡沫(b-d)表面的SEM图像

图5. 使用1 M KOH作为电解质的三电极装置中的无粘合剂电极的电化学特性

图6. 超级电容器中不同形态电极材料中离子迁移的示意图

图7. 对称MF // MF装置的电化学特性

图8. 非对称MF // MnO₂器件的电化学性能

【本文总结】

为了解决剥落的MXene层的重新堆叠问题，我们分别通过硬模板法和成孔法成功地制备和设计了膨胀的MXene和MXene泡沫材料。作为电极材料，无粘结剂的MXene基材料在1 M KOH中显示出高电化学性能，无论是在比电容，倍率性能和长期循环方面。当从MXene到膨胀MXene和MXene泡沫时，巨大改进归因于具有较大层间空间和穿过MXene层的孔的形态开口促进了电活性面积和离子传输能力的提高。MF被测试为设备中的电极材料。对称MF // MF和非对称MF // MnO₂器件具有优异的倍率性能和出色的循环稳定性。此外，MF // MnO₂器件表现出的平均能量密度为16.5 Wh kg^-1和10 Wh L^-1。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104734

信息来源: MXene Frontier