MXene@CoAlLDH超高电容

【研究背景】
由带正电的金属氢氧化物主体层和电荷补偿性阴离子组成的层状双氢氧化物（LDH）具有高度可调谐的化学组成和结构，因其优异的法拉第氧化还原活性，低成本和环境友好性而作为潜在的超级电容器电极材料而广泛关注。但是，由于LDH本身具有较差的电导率，有限的暴露活性表面积和不可逆的面对面堆积，因此它们的实际比容量仍远远低于其理论值。近年来，人们引入了各种导电衬底，例如石墨烯，CNT和MXene，以增强LDH的电导率。MXenes（在材料科学领域迅速崛起的新星，是最近出现的2D过渡金属碳化物和氮化物的总称）在储能应用（例如超级电容器，锂离子和锂硫电池）中引起了迅速的关注。MXene具有出色的结构和物理特性，例如出色的导电性，高密度，丰富的表面化学特性和强大的亲水性，使其成为沉积LDH纳米片以改善电化学性能的理想替代材料。
 
【成果简介】
最近，哈尔滨工程大学Qian Wang教授和Jun Yan教授合作在国际知名学术期刊Journal of Energy Chemistry上发表一篇题目为：Electrostatic self-assembly of MXene and edge-rich CoAl layered double hydroxide on molecular-scale with super high volumetric performances的研究论文，该研究在分子尺度上通过单层MXene和富边缘的CoAl-LDH纳米薄片静电有序组装制备了MXene/CoAl-LDH的异质结构。得益于MXene和CoAl-LDH纳米片之间的独特结构，强烈的界面相互作用和协同效应，电导率和暴露的电解质可及活性位点从而得到了显着增强。
【图文导读】

图1.（a）MXene / CoAl-LDH异质结构的制备示意图（b-e）单层CoAl-LDH和MXene纳米片的AFM显微照片 （f）CoAl-LDH和MXene胶体悬浮液的Zeta电位（g）CoAl-LDH（左），MXene（中）胶体悬浮液和ML-80（右）的数码照片，前两个样品在激光下显示出明显丁达尔散射效应。

图2.分层的CoAl-LDH（a）和MXene（b，c）纳米片的TEM图像。ML-80的横截面SEM（d）和TEM（e，g，h）图像 （f）MXene和ML-80独立膜的XRD图像

图3. ML-80独立膜的XPS测量图谱

图4. ML-80电极的电化学性能

图5. ML-80 // MG-5不对称超级电容器的电化学性能

 
【本文总结】
本文通过一种简单，低成本的静电有序自组装方式在分子尺度制备了新颖的MXene / CoAl-LDH夹层异质结构薄膜。通过利用MXene和CoAl-LDH纳米片之间的协同效应，电导率和电解质离子可及表面积以及暴露的电活性位点数量大大增加。由于MXene和CoAl-LDH之间的独特结构和强大的界面相互作用，ML-80电极表现出出色的电化学性能。ML-80电极显示出2472 C cm-3的出色体积容量，在水性电解质中先前报道的电极材料中最高的。更重要的是，我们制备的ML-80 // MG-5 ASC器件可提供30.9 Wh kg-1的能量密度，相当于85.4 Wh L-1的体积能量密度，可以与之前报道的ASC设备的能量密度相比甚至超越。此外，ASC器件在30,000次循环后显示出94.4％的优异的循环稳定性。本文介绍的在分子尺度上制备异质结构为未来基于2D材料的新型复合材料在储能应用方向上铺平了道路。
 
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.10.023