少层MXene@Fe2O3用于柔性超级电容器

【背景介绍】

       柔性固体超级电容器(FSSC)作为储能设备在现代可穿戴电子领域引起了广泛的关注，它包括柔性电极、固态凝胶电解质、隔膜和类似于传统超级电容器的柔性封装材料。在上述元件中，柔性电极是柔性超级电容器最关键的一部分，特别是在组装含有两种不同种类(负极和正极)的非对称超级电容器时，柔性电极是最关键的因素，其要求有良好的导电性、高电容性能、良好的循环性和柔韧性。然而，与正极材料的迅速进步相比，仍缺少理想的负极材料来推动非对称超级电容器的能量密度限制。因此，需要一种新型的高电容、高导电性的负极材料。

【成果简介】

       近日，哈尔滨工业大学Gui-Gen Wang教授报道了采用一种简单的浸渍法制备MXene与Fe₂O₃/CC耦合的柔性负极材料，其导电性好、面积电容高、柔韧性好。通过将碳布上的Fe₂O₃纳米棒阵列反复浸入少层MXene纳米片溶液中，制备出Fe₂O₃/CC纤维被MXene完全包裹的电极材料。MXene@Fe₂O₃/CC电极的面电容由MXene和Fe₂O₃纳米棒共同贡献，在电流密度为1mAcm⁻²时高达725 mFcm⁻² 。对于少层MXene，它不仅为柔性电极提供了电容，而且为Fe₂O₃提供了快速有效的离子/电子传输途径，有效的提高了电子导电性。此外，由MXene@Fe₂O₃和MnO₂构成的非对称超级电容器器件在功率密度为22.55mWcm⁻³表现出1.61 mWhcm⁻³的高能量密度和良好的稳定性。该工作为碳纤维负载活性材料和构建适用于高性能柔性非对称超级电容器应用的分层涂层结构电极提供了一种简单有效的策略。该成果在线发表于 Journal of Materials Chemisty A: Few-layered Ti₃C₂T_x MXenes coupled with Fe₂O₃ nanorod arrays grown oncarbon cloth as anodes for flexible asymmetric supercapacitors

【图文导读】

图1 Ti₃C₂T_x MXene (a)和MXene@Fe₂O₃/CC (b)的合成示意图

图 2 (a) Max (Ti₃AlC₂), 块状Ti₃C₂T_xMXene, 和剥落的Ti₃C₂T_x MXene的XRD图谱，内图展示了从5到12度的放大图谱。(b) Ti₃C₂T_x MXene的Ti 2p高分辨率XPS图谱 (c)MXene@CC的 AFM图像 (d) 不同放大倍数的TEM图像(d₁和d₂)，HRTEM图像(d₃)，和 MXene纳米片的SAED (d₄)

图3 (a) Fe₂O₃/CC的SEM图像 (b) Fe₂O₃纳米结构的TEM图像(b1); Fe₂O₃草的HRTEM图像（b₂和b₃）和相应的衍射图像（b₄）; 选定区域的Fe和O的EDS元素映射图（b₅和b₆）（c） Fe₂O₃/CC的Fe 2p高分辨率XPS图谱 (d)CC, Fe₂O₃/CC, and MXene@Fe₂O₃/CC的XRD图像(e) CC, Fe₂O₃/CC,and MXene@Fe₂O₃/CC的拉曼图谱，内图展示了从200到700 cm^-1的放大光谱

图4 MXene@Fe₂O₃/CC的SEM图像(a和b）在不同的放大倍数和相应的截面结构(c) (d)MXene@Fe₂O₃/CC中Fe, Ti, O和 C的元素映射图和EDS 能谱

图5 (a)扫描速率为30 mV s^-1的Fe₂O₃/CC、MXene/CC和MXene@Fe₂O₃/CC电极的CV曲线(b)不同扫描速率下MXene@Fe₂O₃/CC电极的CV曲线 (c)不同电流密度下MXene@Fe₂O₃/CC电极的GCD曲线 (d)根据不同电极的GCD曲线计算不同MXene负载量时MXene@Fe2O3/CC的面积电容(e)不同MXene含量的MXene@Fe₂O₃/CC电极的尼奎斯图和放大的高频内图(f)用于快速电荷传输/存储的MXene@Fe2O3/CC包覆异质结构示意图

图6 (a)CC、PCC和MnO₂/PCC的XRD图像 (b) MnO₂ /PCC的 Mn 2p高分辨率XPS图谱 (c)MnO₂/PCC的SEM图像 (d) CC、PCC和MnO₂/CC、MnO₂/PCC电极的CV曲线 (e) MnO₂/PCC电极在不同扫描速率下的CV曲线 (f)MnO₂/PCC在不同电流密度下的GCD曲线

图7 (a)在50 mVs^-1下不同电位窗口的CV曲线 (b)二电极系统下不同扫描速率的CV曲线 (c)二电极系统下不同电流密度下的GCD曲线 (d)基于电流密度下的GCD曲线计算在二电极系统下的面积电容 (e)最优的MnO₂//MXene@Fe₂O₃ASCs与最近文献中报道的ASC器件的能量比较图(体积能量密度和平均功率密度) (f) MnO₂//MXene@Fe₂O₃器件的循环性能

【本文总结】

本文首次采用简单的浸渍法制备了MXene与Fe₂O₃ /CC相结合的层次化碳纤维电极，作为柔性ASC器件的负极材料。所构建的MXene层不仅为柔性电极提供了电容，而且为Fe₂O₃提供了电子通道，缩短了离子/电子的传输路径。此外，在MXene和Fe₂O₃之间形成的空心结构具有更大的表面积，为电极提供了额外的Li⁺存储位置。这些因素使MXene@Fe₂O₃/CC柔性电极提供高电荷存储性能和高面积电容，在电流密度为1.0 mA cm^-2时达到725 mF cm^-2。此外, 如此组装的MnO₂//MXene@Fe₂O₃不对称设备展现1.8V的高电压窗口和高面积电容，在1mAcm^-2的电流密度下143.4 mFcm^-2，在功率密度22.55和459.46 mW cm^-3时能量密度为1.61和0.74 mWhcm^-3。该工作为构建高性能柔性电极提供了一种高效、简便的策略，克服了超级电容器低能量密度的主要缺陷，为高性能储能系统带来了广阔的发展前景。

文献链接：

DOI: 10.1039/c9ta08144e