開學(xué)季優(yōu)惠享不停，北科納米MXene等產(chǎn)品最低9折

研究摘要

MXenes 作為新興的二維納米材料，因其二維納米結(jié)構(gòu)和電化學(xué)活性表面而成為極具潛力的超級電容器電極材料。作為MXenes的一員，Ti3CNTx被認為具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。然而，和其他MXenes一樣，Ti3CNTx?的電化學(xué)性能也會受到納米片團聚以及表面官能團的影響。如何有效擴大層間距并修飾表面官能團，盡可能使更多的電解質(zhì)離子順利通過二維納米通道，提高活性位點的利用率，是提升Ti3CNTx基電極材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵。

通常使用的方法是將碳材料、MoS2以及聚合物等異質(zhì)材料嵌入 MXenes 層之間，以抑制 MXenes 納米片的重新堆疊，從而增大層間距并提高二維納米通道的可及性，此外還可以通過離子插層的方法來提高 MXenes 基電極能量存儲性能。雖然通過復(fù)合異質(zhì)材料以及離子插層能夠提升電極的電容，但過大的層間距和插入的組分會降低電極材料電導(dǎo)率，從而影響倍率性能，因此在提升MXenes電極比電容的同時需要兼顧其良好的倍率性能。MXenes 的電化學(xué)性能取決于表面官能團的類型，-OH 和-F會阻礙離子傳輸，從而降低能量存儲性能。此外，退火處理可以去除大部分-OH基團，從而增加Ti原子的可及性并促進更多的贗電容反應(yīng)。因此，通過增加層間距和降低表面官能團濃度，能夠有效的促進電荷傳輸并提升二維納米通道的可及性。

成果簡介

近日，廣西大學(xué)徐帥凱助理教授、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所楊亞研究員等人通過對Ti3CNTx基材料進行鉀離子插層及表面改性，并進一步在Ti3CNTx層間引入銀納米線，得到了兼具高比電容和高倍率性能的300-K-Ag-Ti3CNTx電極材料。300-K-Ag-Ti3CNTx電化學(xué)性能的提高可歸因于Ti3CNTx?層間距的增加和表面官能團濃度的降低以及高導(dǎo)電性。實驗結(jié)果表明，在納米片之間插入陽離子并降低官能團濃度可以顯著提高 Ti3CNTx?的質(zhì)量比電容，在引入 K+?并去除官能團（-OH，-F）后，質(zhì)量比電容大幅提高到 464 F g-1。Ti3CNTx?基薄膜的電導(dǎo)率受層間陽離子和表面官能團的影響。未經(jīng)任何處理的 Ti3CNTx?薄膜的電導(dǎo)率為885.0 S cm-1。在 300 ℃退火后，表面終端官能團的濃度降低，這促使電導(dǎo)率上升到 1112.8 S cm-1。K+?陽離子插入 Ti3CNTx?納米片之間時，K- Ti3CNTx?的電導(dǎo)率下降到 225.2 S cm-1， 在 300 ℃ 退火后， 300-K- Ti3CNTx薄膜的電導(dǎo)率提高（692.1 S cm-1)。為提高 Ti3CNTx?基薄膜的導(dǎo)電性，AgNWs 被進一步引入 300-K-Ti3CNTx?薄膜中。300-K-Ag-Ti3CNTx?薄膜的電導(dǎo)率增加到 1030.93 S cm-1，并顯示出優(yōu)異的倍率性能，即使在 2000 mV s-1?下，其質(zhì)量比電容也可以保持在 245 F g-1。

該成果發(fā)表在國際頂級期刊Journal of Materials Chemistry A?（影響因子 14.511 ）上，題目為：Intercalation and Surface Modification of Two-dimensional Transition Metal Carbonitride Ti3CNTx?for Ultrafast Supercapacitors。

徐帥凱為本文第一作者。

圖文導(dǎo)讀

圖1.?Ti3CNTx基薄膜的制備過程。

圖2.?Ti3CNTx基薄膜的表征 (a)?獲得的少層 Ti3CNTx?納米片的 SEM 圖像。??(b - d)?分別為純 Ti3CNTx、300-Ti3CNTx?和 300-K-Ti3CNTx?薄膜的橫截面 SEM 圖像。??(e)?300-K-Ti3CNTx?薄膜中 Ti、O、C、N 和 K 元素的 EDS圖像。

圖3.?（a）所有 Ti3CNTx 基薄膜的電導(dǎo)率。? (b)?所有 Ti3CNTx 基薄膜的 XRD 圖像和?(c)?FTIR 光譜。? (d)?橫截面 SEM 圖像和?(e)?300-K-Ag-Ti3CNTx 薄膜的 Ti、O、C、N、K 和 Ag 的 EDS圖像。

圖5.?(a)?純 Ti3CNTx、(b)?300-K-Ti3CNTx?和?(c)?300-K-Ag-Ti3CNTx?分別在不同掃描速率下的 CV 曲線。? (d)?合成的 Ti3CNTx?基薄膜的 CV 曲線比較。??(e)?所有 Ti3CNTx?基薄膜的倍率性能。??(f)?Ti3CNTx?基薄膜的電化學(xué)阻抗譜。

總結(jié)

電化學(xué)性能的改善可歸因于Ti3CNTx?層間距的增加和表面官能團濃度的降低以及高導(dǎo)電性，退火和陽離子嵌入會改變 Ti3CNTx?基薄膜的結(jié)構(gòu)和層間距。本文通過引入 K+?并去除末端基團（-OH、-F）后，改進了離子傳輸過程并增加了電化學(xué)活性位點，Ti3CNTx 基薄膜的質(zhì)量比電容顯著增大至 464 F g-1。此外，在 Ti3CNTx?納米片之間引入了 Ag 納米線，可以補償由 K+?嵌入和退火引起的電導(dǎo)率下降。所制備的 300-K-Ag-Ti3CNTx?薄膜的質(zhì)量比電容即使在 2000 mV s-1?下也能達到 245 F g-1，表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能?；?300-K-Ag-Ti3CNTx?薄膜的全固態(tài)對稱超級電容器在 350 mW g-1?時顯示出 6.9 mWh g-1?的高能量密度，表明它們在柔性儲能裝置方面的應(yīng)用潛力巨大。這項工作將進一步推動柔性 MXene 基電極的研究；特別是 Ti3CNTx?基電極，在超級電容器和可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

文獻鏈接

https://doi.org/10.1039/D2TA04962G

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