研究摘要

MXenes較大的比表面積使其成為一類非常有潛力的雙電層電容器的電極材料，可以實現(xiàn)超過300 F/g的比電容。最近的研究進展中，合成方法的改進已經(jīng)成功實現(xiàn)表面官能團的減小及其化學(xué)調(diào)控與設(shè)計，但表面官能團對于電容性能的影響還不夠清晰。近日，日本京都大學(xué)Atsuo Yamada研究團隊在《Chemistry of Materials》發(fā)表最新研究成果，利用密度泛函理論計算系統(tǒng)地探究了Ti3C2Tx?MXene電極的原子級雙電層結(jié)構(gòu)與鹵素官能團的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，鹵素官能團中鹵素原子的原子數(shù)越大（I＞ Br ＞Cl ＞F），對雙電層電容的貢獻也越大。增大的電容源于官能團原子更小的價電子數(shù)，更低的電負(fù)性可以促進電極表面電荷的靜電積累過程，這種趨勢為具有更大電容的MXene設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

圖文導(dǎo)讀

總結(jié)

對于Ti3C2Tx?MXene電極的雙電層電容（EDL）與鹵素官能團的相關(guān)性研究是通過ESM-RISM計算完成的。計算得到的電容值隨鹵素原子的原子數(shù)增加而增加。增加的電容主要由于電極/電解液界面處過量的電子偏置分布，從而減小了EDL厚度。電極中的電子通過靜電相互作用被吸引到電解質(zhì)一側(cè)，與吸附在電極表面的K離子相互作用。由于鹵素原子具有較小的電負(fù)性，更小的負(fù)電荷促進電極電子通過靜電感應(yīng)進入到EDL區(qū)域。值得注意的是，可以通過控制MXene中的過渡金屬與表面官能團之間化學(xué)鍵的本質(zhì)對表面電荷進行調(diào)控。比如，將更低電負(fù)性的表面官能團元素與更高電負(fù)性的過渡金屬元素（如V與Cr）相結(jié)合，可能可以進一步降低表面負(fù)電荷，導(dǎo)致EDL電容的進一步提高。該工作揭示了MXene電極的電容與鹵素官能團之間的關(guān)系，為未來的研究提供了理論基礎(chǔ)。

文獻鏈接

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c03328