摘要

酸性電解質(zhì)中Ti3C2Tx MXenes中的偽電容電荷存儲(chǔ)通常被描述為質(zhì)子插入/去插入伴隨著Ti中心的氧化還原轉(zhuǎn)換和氧官能團(tuán)的質(zhì)子化/去質(zhì)子化。在這里，我們以一種獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米電化學(xué)測(cè)量，將電化學(xué)接觸面積限制在單層Ti3C2Tx片的一個(gè)小區(qū)域（0.3μm2）。在這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)中，質(zhì)子插入到層間空間是不可能的，而表面過程與本體過程是隔離的，這是宏觀電極的特征。對(duì)不同大小的MXene薄片的偽電容響應(yīng)分析表明，整個(gè)MXene薄片僅通過一個(gè)小的基底平面亞區(qū)域的電化學(xué)接觸而帶電，僅相當(dāng)于薄片表面積的3%。我們?cè)陔娀瘜W(xué)接觸區(qū)域外觀察到的偽電容電荷暗示了質(zhì)子在MXene表面的快速傳輸機(jī)制。

創(chuàng)新點(diǎn)

1. 利用掃描電化學(xué)顯微技術(shù),實(shí)現(xiàn)了與MXene單層薄片局部區(qū)域的精確接觸,隔離了薄片的表面電容過程,避免了三維電極的復(fù)雜影響。

2. 首次在實(shí)驗(yàn)上證明了MXene整個(gè)薄片都參與了偽電容充電,這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)為MXene偽電容僅局限于電解質(zhì)接觸區(qū)域的看法。

3. 提出了MXene薄片表面質(zhì)子遷移的機(jī)制,可以更全面地解釋其偽電容性能,為設(shè)計(jì)高性能MXene基儲(chǔ)能器件提供了新的思路。

4. 定量比較了單層MXene的基面、邊緣以及不同尺寸薄片的電容性能,系統(tǒng)揭示了薄片幾何形態(tài)對(duì)電化學(xué)RESPONSE的影響。

5. 利用理論計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的單層MXene的性能參數(shù),展示了計(jì)算理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)例。

6. 采用創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論計(jì)算相結(jié)合的研究策略,為深入理解新型二維材料的儲(chǔ)能機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

總之,這項(xiàng)研究從根本上拓展了對(duì)MXene電化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí),其創(chuàng)新之處在于采用獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄片表面過程的隔離研究,并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。這為優(yōu)化MXene在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

圖文參考

總結(jié)

這篇文章研究了二維鈦碳材料(Ti3C2Tx MXene)的偽電容性能。主要結(jié)論:

1. 研究人員使用掃描電化學(xué)顯微技術(shù)(SECCM),僅與MXene單層薄片的一小部分(約3%)接觸,就能測(cè)量到整個(gè)薄片的偽電容響應(yīng)。這表明MXene的偽電容響應(yīng)并不局限于接觸區(qū)域,可能通過薄片表面快速傳輸質(zhì)子的機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

2. 當(dāng)接觸MXene單層薄片邊緣時(shí),每單位接觸面積的電容值比接觸基面時(shí)小,說明邊緣的離子插層并不是主要的充電機(jī)制。

3. 不同大小的MXene薄片的基面電容值不同,但當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化為整個(gè)薄片的質(zhì)量時(shí),比電容值相近,與理論預(yù)測(cè)值一致。這進(jìn)一步證實(shí)了整個(gè)薄片參與了充電過程。

4. 研究發(fā)現(xiàn)MXene材料的偽電容性能不能簡(jiǎn)單歸因于傳統(tǒng)的離子插層機(jī)制,表面質(zhì)子傳輸也發(fā)揮重要作用,這對(duì)MXene材料在超級(jí)電容器等儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

總之,這項(xiàng)研究從實(shí)驗(yàn)上揭示了MXene單層薄片的電化學(xué)充放電機(jī)制,有助于設(shè)計(jì)和優(yōu)化MXene基超級(jí)電容器。

*?參考文獻(xiàn)：https://doi.org/10.1038/s41467-023-35950-1