一、文章概述

MXenes作為一種新興的二維(2D)材料，已經(jīng)引起了人們對超級電容器等電化學(xué)儲能系統(tǒng)的極大興趣。然而，二維MXene薄片在自組裝為電極時，本質(zhì)上傾向于平躺在襯底上，導(dǎo)致與集電器正交的離子路徑高度曲折，阻礙了離子的可及性。本文提出了一種簡便的多尺度結(jié)構(gòu)工程制備高性能MXene水凝膠超級電容器電極的策略。通過對MXene漿液進行單向冷凍，然后在硫酸電解質(zhì)中設(shè)計解凍過程，水凝膠電極具有三維（三維）開放的宏觀結(jié)構(gòu)，浸漬了足夠的電解質(zhì)和H+插入的微結(jié)構(gòu)，為離子存儲提供了豐富的活性位點。同時，有序通道帶來了電極離子和電子傳遞途徑，促進電解質(zhì)滲透和電解質(zhì)與電極之間的質(zhì)量交換。此外，該策略還可擴展到制造3d打印的全mxene微型超級電容器(MSC)，在1.2mAcm-2時提供2.0Fcm-2的超高面積電容，在60mAcm-2時保持1.2Fcm-2，以及創(chuàng)紀錄的能量密度(在0.38mWcm-2時保持0.1mWhcm-2)。

二、圖文導(dǎo)讀

圖1。在硫酸中結(jié)合單向凍融制備MXene水凝膠超級電容器電極的多尺度結(jié)構(gòu)工程策略(MSES)示意圖。

圖2.a)Ti3C2TxMXene薄片的AFM圖像。b)根據(jù)透射電鏡圖像統(tǒng)計MXene薄片的薄片大小。c)有序MXene水凝膠的頂視圖掃描電鏡圖像。e)MXene水凝膠和氣凝膠的水接觸角。f)XRD圖和g)h2so4解凍的MXene水凝膠、H2SO4浸入氣凝膠和凍干氣凝膠的擴增圖。

圖3.a)CV曲線和b)有序MXene水凝膠在不同掃描速率和電流密度下的GCD曲線。c)有序MXene水凝膠的循環(huán)性能。插圖：10000?次循環(huán)（100mV-1）前后的CV曲線的比較。分別比較d)CV曲線(100mV-1)、e)速率性能和f)有序水凝膠、無序水凝膠、H2SO4浸沒的氣凝膠和過濾后的MXene膜的EIS值。

圖4.a)通過MSES進行3d打印的全MXeneMSC的制造工藝。b)MXene泥漿的數(shù)碼照片。c）MXene油墨的剪切稀釋行為（不同剪切速率下的應(yīng)力和粘度）。d)MXene墨水的振蕩測量值(1Hz)，從0.1%掃描到500%，然后恢復(fù)到0.1%的應(yīng)變。e、f)3d打印的MXeneMSC的照片，比例尺為1cm。g)MXene水凝膠間充質(zhì)干細胞的頂視圖掃描電鏡圖像。

圖5.a)在不同掃描速率和電流密度下，b)3d打印MXeneMSC的CV曲線和GCD譜。c)MXene水凝膠MSC的速率性能。d)MXene水凝膠MSC的循環(huán)性能。插圖：10 000?次循環(huán)（100mV-1）前后的CV曲線的比較。e)MSC在循環(huán)試驗前后的EIS。f)通過MSES將3d打印的MXeneMSC的Ragone圖與其他報道的值進行比較。

三、全文總結(jié)

總之，提出了一種采用多尺度結(jié)構(gòu)工程技術(shù)制備MXene水凝膠超級電容器電極的策略。單向凍結(jié)使大型MXene薄片能夠組裝成一個具有垂直對齊通道的分層結(jié)構(gòu)。通過隨后在硫酸中解凍，無需進一步干燥，就能獲得具有質(zhì)子插入微結(jié)構(gòu)的獨立MXene水凝膠電極，而有序的結(jié)構(gòu)可以保持完整。與直接凍干的MXene氣凝膠和緊湊堆疊的MXene薄膜相比，所制備的有序MXene水凝膠是最佳電極，具有高電容（5mV-1時為393Fg-1）和優(yōu)異的速率能力（1000mV-1時為198Fg-1）。這些改進得益于垂直排列的MXenes結(jié)構(gòu)和MXene層之間質(zhì)子插入導(dǎo)致的層間間距的增加，協(xié)同改善了電解質(zhì)離子的擴散和傳輸，增加了離子可用的表面積。此外，當(dāng)將該方法擴展到3d打印MXeneMSC的制造時，電極也代表蜂窩狀室結(jié)構(gòu)，在1.2mAcm-2時提供2.0F2cm-2的超高面積電容，在60mAcm-2時保持1.2Fcm-2，以及創(chuàng)紀錄的能量密度(0.38mWcm-2為0.1mWhcm-2)。該策略采用從微觀到宏觀多尺度的集成電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，證明了其在儲能領(lǐng)域的高能量密度優(yōu)點，可以創(chuàng)新傳統(tǒng)超級電容器的逐層堆疊制造工藝。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/advs.202101664

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