研究速覽

■?近日，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院郭瑞生副教授和杜乘風(fēng)副教授研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際知名期刊Journal of Materiel Chemistry A上發(fā)表題為“Solid Solution Reinforced?V3CrC3Tx MXene Cathodes for Zn-Ion Micro-Supercapacitors with High Areal Energy Density and Superior Flexibility”的研究論文。該論文基于固溶設(shè)計(jì)，制備了Zn//V3CrC3Tx 微型超級(jí)電容器。研究發(fā)現(xiàn)在V4C3Tx MXene中Cr原子部分取代 V 原子對(duì)鋅離子的存儲(chǔ)有著積極的影響，在體系容量、放電電位以及循環(huán)穩(wěn)定性等方面均大幅提升。平面微型叉指結(jié)構(gòu)的柔性器件展現(xiàn)出的極高面能量密度與優(yōu)異機(jī)械柔韌性，為新一代柔性微型電源器件的發(fā)展拓展了新的途徑。西北工業(yè)大學(xué)博士生王浩然為本文第一作者。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?平面微型超級(jí)電容器(MSCs)易于與其它電子元器件集成，在柔性可穿戴電子領(lǐng)域中具有無(wú)與倫比的優(yōu)越性。然而，低能量密度限制了其在更廣領(lǐng)域范圍內(nèi)的應(yīng)用。鋅離子雜化超級(jí)電容器集金屬鋅陽(yáng)極高能量密度和贗電容材料陰極高功率密度的優(yōu)勢(shì)于一身，受到業(yè)界學(xué)者的追捧。MXene，作為一種經(jīng)典的二維層狀贗電容材料有著極高的理論比容量和機(jī)械強(qiáng)度，近年來(lái)在儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)展如火如荼。

■?鑒于此，西北工業(yè)大學(xué)郭瑞生副教授和杜乘風(fēng)副教授團(tuán)隊(duì)基于固溶設(shè)計(jì)，以一系列釩基固溶體MXene(V4-yCryC3Tx, y = 0, 1, 2)為陰極材料（在V4C3Tx MXene中用Cr原子部分取代 V 原子），制備了平面型Zn//V3CrC3Tx 微型超級(jí)電容器。結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與理論計(jì)算證明了固溶體V3CrC3Tx MXene 中Cr組分具有擴(kuò)大MXene晶格間距和促進(jìn)離子擴(kuò)散的作用，同時(shí)Cr的引入降低了Zn擴(kuò)散表面勢(shì)壘并促進(jìn)了穩(wěn)定的Zn多層吸附,因而對(duì)鋅離子存儲(chǔ)、器件長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性等表現(xiàn)出了顯著且積極的影響。除此之外，結(jié)合絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備了紙基平面叉指微型柔性器件，該器件展現(xiàn)了極高的面能量密度（51.12 μWh cm-2)和優(yōu)異的機(jī)械柔韌性。本研究采用新興的MXene材料設(shè)計(jì)方法和完善的柔性方案，為柔性電子的發(fā)展注入了新的力量。

Part2

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?基于V和Cr原子相近的原子半徑及配位形式，一系列釩基雙金屬固溶體MXene(V4-yCryC3Tx, y = 0, 1, 2)成功合成。在這種固溶過(guò)程中，隨著Cr含量的增加MXene層間距逐漸增大，二維層狀的形貌依然保留（圖1）。

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?以一系列釩基固溶體MXene(V4-yCryC3Tx, y = 0, 1, 2) 為陰極材料，制備了扣式Zn//V4-yCryC3Tx超級(jí)電容器。雙金屬的V3CrC3Tx首次被制備并應(yīng)用于鋅離子雜化超級(jí)電容器，獲得了令人驚艷的電化學(xué)性能（397.5 F g?1，0.2 mA cm?2），并擁有超長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定性（50000次，保持率70.2%）（圖2）。除此之外， V4C3Tx 中 Cr 原子部分取代 V 原子引發(fā)了 MXene 層間距的擴(kuò)大，對(duì) Zn 離子的吸附增加，促進(jìn)了離子擴(kuò)散，顯著提高電容、放電電位和循環(huán)穩(wěn)定性。該結(jié)論已通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（電化學(xué)、動(dòng)力學(xué)表征，離位XPS、XRD）（圖3）以及DFT理論計(jì)算（圖4）被證實(shí)。

▉? 研究要點(diǎn)3? ▉

■?隨著人們對(duì)柔性可穿戴智能系統(tǒng)無(wú)縫集成的日益關(guān)注，電源器件的柔性化、微型化以及高能量和功率密度的需求迫在眉睫，促使開(kāi)展了柔性微型儲(chǔ)能器件的研究工作。該工作結(jié)合絲網(wǎng)印刷金屬集流體，在紙上集成了柔性Zn//V3CrC3Tx微型超級(jí)電容器，并獲得了極高的面能量密度（51.12 μWh cm-2)和優(yōu)異的機(jī)械柔韌性（圖5）。

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?新型的二維材料V4C3Tx MXenes因?yàn)樵诰w核內(nèi)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，表面具有豐富的官能團(tuán)，金屬離子擴(kuò)散的低勢(shì)壘，離子插層的大層間空間，可以構(gòu)建具有顯著高能量密度和高功率密度的先進(jìn)MXene基納米結(jié)構(gòu)用于不同類(lèi)型的鋅基微型儲(chǔ)能器件。固溶體MXenes作為電極材料，相對(duì)于單一組分的MXenes，通常表現(xiàn)出更為出色的電化學(xué)性能。結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，制備并比較了一系列Zn//V4-yCryC3Tx超級(jí)電容器。

創(chuàng)新點(diǎn)：

1.Cr組分具有擴(kuò)大MXene晶格間距和促進(jìn)離子擴(kuò)散的作用，可提高儲(chǔ)Zn的理論容量和循環(huán)穩(wěn)定性，且性能提升的根源是降低的表面勢(shì)壘和穩(wěn)定的多層Zn吸附；2.結(jié)合Zn金屬陽(yáng)極和V3CrC3Tx固溶體陰極材料的紙基平面微型柔性器件成功制備，兼具高能量密度和良好機(jī)械柔韌性，為柔性電子設(shè)備儲(chǔ)能單元提供了穩(wěn)定可靠的選擇。

文章鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta04747k