Ti3C2Tx MXene的面向高电容超级电容器的层间工程

【研究背景】

在可持续能源系统中，超级电容器代表了针对不平衡电力需求的高效储能设备。根据不同的电荷存储机制，超级电容器可分为电化学双层电容器（EDLC）和赝电容器。在EDLC中，电化学双层形成在电极表面上，并且离子和电极之间的极化溶剂充当介电介质。赝电容器则是通过插层或电吸附以及通过氧化还原反应的法拉第电荷转移来储存能量，其中插层赝电容的理论电容可达极高，因此更具吸引力。为了实现高电容，一些早期的尝试集中在插层赝电容材料，Nb₂O₅, V₂O₅, MoS₂和VS₂上，这些材料表现出开放的分层结构，可实现离子在活性材料中的快速迁移和容纳。然而，大多数赝容性氧化物或硫化物的电导率有限，导致电化学性能不佳。因此，在电网等大规模应用中，迫切需要新型的高电导性插层电极材料。

【成果简介】

最近，中国科学院Xiaohui Wang教授和天津大学Quan-Hong Yang教授课题组合作在国际知名学术期刊Nanoscale上发表一篇题目为：Interlayer engineering of Ti₃C₂T_x MXene towards high capacitance supercapacitors 的研究论文，该研究展示了层间工程如何帮助接近极限。层间工程设计可创建一个宽阔而均匀的层间间距，从而为快速离子扩散提供一条“高速公路”，并在这样的“高速公路”上提供“卡车”(氧化还原活性位点)来加速电荷转移，使高电容成为可能。根据这一概念，通过在氨气中退火制得的Ti₃C₂T_xMXene，其电容得到了很大的改善，并具有出色的倍率性能和循环性能。经过精心设计的MXene的整体性能优于所有其他赝电容电极。

【图文导读】

图1.用于实现高电容的Ti₃C₂T_x MXene的中间层工程示意图

图2. 经过不同种处理后，Ti₃C₂T_xMXenes的结构表征（a）Ti₃C₂T_xMXene的XRD图谱。分别在HF和HCl / LiF溶液中蚀刻MAX相来制备Ti₃C₂T_x -HF和Ti₃C₂T_x-（HCl/LiF）；Ti₃C₂T_x-（HCl/LiF）-400通过在氨气氛中400°C下加热Ti₃C₂T_x-（HCl/LiF）来获得。Ti₃C₂T_x-HF-KOH和Ti₃C₂T_x-HF-CaCl₂分别在KOH和CaCl₂溶液中处理（b，c）沿[1120]区域轴的（b）Ti₃C₂T_x-（HCl/LiF）和（c）Ti₃C₂T_x-（HCl/LiF）-400的HAADF图像

图3.用不同制备方法制备的Ti₃C₂T_x电极在1 mol L^-1 H2SO4电解质中的电容性能。(a)在20 mV s^-1的扫描速率下的CV曲线，以及（b）在不同扫描速率下的质量电容。在不同扫描速率下，Ti₃C₂T_x -（HCl/LiF）-400的电容明显大于其他电极的电容（c）Ti₃C₂T_x-（HCl/LiF）-400在2至100 mV s^-1的扫描速率下的CV曲线 （d）在恒电流循环10 A g^-1下的Ti₃C₂T_x -（HCl/LiF）-400电极的电容保持率，内图恒电流循环曲线

图4. Ti₃C₂T_x -（HCl/LiF）和Ti₃C₂T_x-（HCl/LiF）-400电极的原位EIS图谱 （a）Ti₃C₂T_x -（HCl/LiF）-400和（b）Ti₃C₂T_x-（HCl/LiF）电极的CV曲线。内图氢离子嵌入MXene层的示意图。（c，d）在（c）Ti₃C₂T_x -（HCl/LiF）-400和（d）Ti₃C₂T_x-（HCl/LiF）电极的插层（红色填充球）分支上在不同电压下vs.Ag/AgCl的EIS数据（奈奎斯特图）

图5. Ti₃C₂T_x -（HCl/LiF）-400和Ti₃C₂T_x -HF-KOH的化学组成和形态表征。两种样品的（a）Ti 2p XPS光谱，（b）N 1sXPS光谱，（c）O 1s XPS光谱 （d）拉曼光谱和拉曼谱带的选定洛伦兹拟合  （e）Ti₃C₂T_x-（HCl/LiF）-400的化学成分示意图

【本文总结】

我们以Ti₃C₂T_x MXene为例，提出了层间工程的概念，以实现高电容。以这样一种方式设计，即同时创造一个开放而均匀的层间距，并在层间合并电负性较低的杂原子，使高电容成为可能。拓宽而均匀的层间间距为其中的快速离子扩散提供了“公路”，并使更活跃的Ti₃C₂T_x骨架的表面更易于进入电解质;同时在中间层之间掺入具有较低电负性的杂原子可在“高速公路”上提供更多的“卡车”-氧化还原活性位点，以进行电荷转移。高速公路上更多的卡车导致高电容率。由于遵循了层间工程的概念，在氨气氛中退火，570 F g^-1的电容超过了报道过的电极材料的电容。本文所验证的可行夹层工程为设计具有增强电容的基于MXene的电极材料提供了指导，该原则同时可用于其他二维层状材料。

文献链接：

DOI: 10.1039/c9nr08960h