北科納米可提供多孔MXene（可定制）

研究摘要

高能量密度且充放電速度快的儲能器件是集成和便攜式電子設(shè)備快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。MXene是一種新型二維層狀過渡金屬碳化物/氮化物材料，具有類金屬的導電性、溶液可加工性和機械穩(wěn)定性。Ti3C2Tx?MXene薄片可以通過組裝或抽濾加工成薄膜，其超高體積電容、良好的機械強度和柔韌性在柔性儲能器件設(shè)計及研發(fā)方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。然而，緊密堆疊的二維納米材料阻礙了離子轉(zhuǎn)移，其被用作電極時難以在高充放電速率下保持高比電容。

? ? ? ?因此，將二維MXene納米片組裝成三維（3D）多孔宏觀結(jié)構(gòu)，例如具有定制孔隙率和豐富活性位點的多孔薄膜，可以提高電解質(zhì)離子的可及性，從而更好地解決電極材料中離子和電子傳輸差的問題。盡管目前已有很多研究組通過多種模板成功構(gòu)建柔性3D多孔MXene電極并報道了其良好的倍率性能和高比電容，但研究中對于模板尺寸的選擇具有一定的隨機性，從而忽視了模板尺寸及用量比例與電極性能的影響。在此背景下，我們使用三種不同尺寸的聚苯乙烯微球為模板制備了具有不同孔徑的柔性三維MXene泡沫，通過控制MXene與PS之間的質(zhì)量比來調(diào)節(jié)微球在MXene中的填充密度，深入研究并討論了孔徑大小對MXene泡沫電化學性能的影響。

成果簡介

我最愛你的一剎那給你打電話你沒接，等你看到來電提醒再打回來的時候很可能我就不愛你了?！F

近期，澳大利亞迪肯大學前沿材料研究院張吉振博士/湖北大學周吉副教授研究選擇了三種不同尺寸（80 nm、310 nm、570 nm）的聚苯乙烯（PS）微球為模板，并通過溶液自組裝、真空輔助抽濾和退火處理成功制備了多種孔徑的自支撐MXene泡沫。所得的MXene泡沫表現(xiàn)出高度互連和均勻的孔隙。通過調(diào)控模板尺寸及模板和納米薄片質(zhì)量負載比制備了具有不同孔徑的柔性三維MXene泡沫，并研究了孔徑尺寸調(diào)控對MXene泡沫內(nèi)部離子轉(zhuǎn)移的影響。研究發(fā)現(xiàn)模板尺寸及模板和納米薄片質(zhì)量負載比對MXene泡沫的多孔結(jié)構(gòu)具有重要的影響，其中310 nm的PS微球由于具有與MXene薄片（~300 nm）相似的尺寸，在6:1的質(zhì)量負載比（MXene: PS）下組裝得到的MXene多孔泡沫不僅具有高重量電容，還表現(xiàn)出出色的倍率性能。而模板尺寸過小或過大，例如使用80 nm和570 nm微球為模板制備的MXene泡沫，則出現(xiàn)部分區(qū)域重新堆疊的形貌結(jié)構(gòu)，進而造成倍率性能降低。此外，我們還將碳納米管引入到上述優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)的MXene泡沫中，既提高了導電性能，也提升了 MXene 泡沫的機械強度?；谝粚Xene泡沫電極和PVA-H2SO4凝膠電解質(zhì)，所制備的對稱超級電容器展現(xiàn)了高的功率密度和能量密度，且具有優(yōu)異循環(huán)使用壽命，在基于MXene的同類超級電容器中具有很強的競爭力。該工作揭示了模板尺寸對控制MXene基泡沫的孔徑和孔隙率的重要性，為高性能超級電容器的多孔電極設(shè)計提供了重要參考。

該成果在線發(fā)表于國際頂級期刊?Small?(影響因子13.28) 上，題目為：Understanding the Effect of Pore Size on Electrochemical Capacitive Performance of MXene Foams。

研究生呂可和張吉振博士為本文共一作者。澳大利亞迪肯大學前沿材料研究院張吉振博士和湖北大學周吉副教授為共同通訊作者。

圖文導讀

圖1.?柔性自支撐多孔泡沫的制備示意圖。

圖2.?PS微球、MXene/PS復合薄膜和MXene泡沫的形貌表征。(a)?80 nm PS微球的SEM圖像?(b)?MX6PS80復合薄膜的橫截面SEM圖像。(c)?MX6PS80復合薄膜退火處理后的橫截面SEM圖像。(d)?310 nm PS微球的SEM圖像。(e)?MX6PS310復合薄膜的橫截面SEM圖像。(f)?MX6PS310復合薄膜退火處理后的橫截面SEM圖像。(g)?570 nm PS微球的SEM圖像。(h)?MX6PS570復合薄膜的橫截面SEM圖像。(i)?MX6PS570復合薄膜退火處理后的橫截面SEM圖像。(j-m)?不同質(zhì)量比下的MXene/PS310復合薄膜退火處理后的橫截面SEM圖像。

圖3.?譜圖表征。(a)?純MXene薄膜，PS，MX6PS310復合薄膜和MX6PS310-A泡沫的X射線衍射圖譜，(b)?純MXene薄膜，PS，MX6PS310復合薄膜和MX6PS310-A泡沫的拉曼檢測圖譜，(c)?純MXene薄膜，PS以及不同質(zhì)量比MXPS310復合薄膜的熱重分析曲線，(d)?純MXene薄膜，PS，MX6PS310復合薄膜和MX6PS310-A泡沫的XPS全譜分析圖，(e)?純MXene薄膜，MX6PS310復合薄膜和MX6PS310-A泡沫的Ti 2p譜圖，(f)?純MXene薄膜，?MX6PS310復合薄膜和MX6PS310-A泡沫的C 1s譜圖。

圖4.?純MXene薄膜，MX6PS80-A，MX6PS310-A和MX6PS570-A的電化學性能表征及幾種薄膜電極中電解質(zhì)離子的傳遞機理 (a)?20?mV s-1掃速下MXene薄膜，MX6PS80-A，MX6PS310-A和MX6PS570-A的循環(huán)伏安曲線。(b)?不同掃速下MX6PS310-A的循環(huán)伏安曲線。(c)不同電流密度下MX6PS310-A的充放電曲線。(d)?MXene薄膜和MXene泡沫隨掃速變化的比電容曲線。(e)?不同電極在100-0.01 kHz頻率范圍內(nèi)的Nyquist圖。(f)?MX6PS310-A在50?mV s-1掃速下穩(wěn)定性，插圖顯示了第一次和第5000次的循環(huán)伏安曲線。(g)?純MXene薄膜MX6PS80-A、MX6PS310-A和MX6PS570-A中電子的傳遞路線。綠線和虛線圓圈分別代表通過去除PS模板后留下的MXene薄片和孔的側(cè)視圖。

圖5.?MXene泡沫和添加了CNT后的電化學性能表征。(a)?20?mV s-1掃速下MX6PS310-A，MPC-3-A，MPC-5-A，MPC-10-A的循環(huán)伏安曲線。(b)?不同掃速下MPC-5-A的循環(huán)伏安曲線。(c)不同電流密度下MPC-5-A的充放電曲線。(d)?MXene薄膜，MX6PS310-A，MPC-3-A，MPC-5-A，MPC-10-A隨掃速變化的比電容曲線。(e)?不同電極在100-0.01 kHz頻率范圍內(nèi)的Nyquist圖。(f)?MPC-5-A在50?mV s-1掃速下穩(wěn)定性，插圖顯示了第一次和第5000次的循環(huán)伏安曲線。

圖6.?MPC-5-A組裝的對稱超級電容器電化學性能。(a) MPC-5-A對稱超級電容器在不同掃速下的循環(huán)伏安曲線。(b) 對稱超級電容器電容隨掃速的變化曲線。(c) 對稱超級電容器在50 mV s-1掃速下的循環(huán)穩(wěn)定性，圖中顯示了該超級電容器在第1次和第5000次循環(huán)時的CV曲線。(d) MPC-5-A超級電容器與已報道文獻中超級電容器的功率密度和能量密度的分布曲線。

總結(jié)

本文通過控制PS球的尺寸和負載量，開發(fā)了一種策略來制造具有所需孔徑大小的MXene多孔泡沫。與純MXene相比，多孔結(jié)構(gòu)可以有效防止MXene層的自堆疊和聚集，從而在所制備的電極中產(chǎn)生更大的比表面積，為電解質(zhì)離子傳輸提供更多的活性位點并加快電子傳輸速率。最重要的是，我們發(fā)現(xiàn)模板的大小在孔隙的構(gòu)建和儲能性能中起著重要作用。當模板的直徑和MXene薄片的輪廓大小相近且在合適的質(zhì)量加載比下混合時，模板可以有效地防止MXene薄片堆疊，從而組裝成具有最小堆疊度的多孔泡沫以實現(xiàn)快速的電子轉(zhuǎn)移。然而，對于80 nm的微球，由于其體積很小，無法很好地支撐起MXene薄片，導致大多數(shù)MXene薄片仍處于水平排列的狀態(tài)，而隨著模板尺寸增加到570 nm，MXene薄片之間的間距雖然顯著增加，但與310 nm的微球相比，其模板間的MXene外壁明顯變厚。這是由于相同質(zhì)量的加載下，較大的模板表面吸附了更多的MXene納米片。對于MXene和PS微球間在其它不同加載比的影響，當MXene和PS微球的質(zhì)量比從1：1增加到4：1時，MXene薄膜中的孔洞數(shù)量減少且空腔壁變厚，而當質(zhì)量比達到8：1時，MXene薄片由于無法被足夠多的模板支撐，發(fā)生堆疊和卷曲的現(xiàn)象，不利于電解質(zhì)離子的滲透。此外，我們進一步在MXene泡沫中添加CNT以提高薄膜的機械強度和納米級孔隙，所制備的MPC-5-A電極在2 mV s-1時表現(xiàn)出了462 F g-1(1007 F cm-3)的高比電容，并在1000 mV s-1時仍具有205 F g-1(445 F cm-3)的電容保留。此外，在5000次循環(huán)后，電容保持率為98.3 %，表明了其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能，而組裝的對稱超級電容器也在102.9 W kg-1的功率密度下表現(xiàn)出10.82 Wh kg-1的高能量密度，表現(xiàn)出理想的儲能條件。該研究發(fā)現(xiàn)，模板的尺寸對基于MXene的電極結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和儲能性能有著顯著影響，這為開發(fā)基于二維納米材料的多孔電極提供了路線。

文獻鏈接

https://doi.org/10.1002/smll.202202203

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