rGO/MXene复合纤维状电极

【研究背景】

       最近，柔性和可穿戴超级电容器的优势激发了人们对兼容能源的不断增长的需求，这些能源可以集成到为电子设备供电的织物中。由于与纺织加工的潜在兼容性，类纤维状电极材料作为传统形式的膨松和硬质材料的替代物已受到了极大的关注。石墨烯纤维或类纤维石墨烯材料已成功地用作柔性和可穿戴超级电容器的电极。然而，它们通常表现出相对较低的体积电容，这将严重阻碍其在智能纺织品中作为电源的广泛应用。过渡金属碳化物和氮化物(MXene)作为二维材料的一种新成员，以其优异的电化学性能、金属导电性、高密度和表面亲水性，在电化学储能和许多其他应用中表现出优异的性能。MXene纳米薄片具有高达10⁵ S cm^-1的金属电导率和1500F cm^-3的高容量电容，在改善薄膜和纤维状石墨烯电极的容量性能方面具有巨大的潜力。

【成果简介】

最近，东华大学Xin Zhao副教授和新加坡科技研究局 Lili Zhang研究员合作在国际知名学术期刊Journal of Power Sources上发表一篇题目为：Facile fabrication of flexible rGO/MXene hybrid fiber-like electrode with high volumetric capacitance的研究论文，该研究通过简便的一步水热法来制备类纤维状的rGO/MXene混合电极。在水热过程中，同时实现了氧化石墨烯的还原和氧化石墨烯与MXene纳米片的巧妙宏观组装，形成了由大型石墨烯片和小型MXene片构成的强大骨架，这些骨架覆盖了空间和微孔。在较低的MXene负载量（约为5 wt%~15 wt%）下，这种纤维状混合电极可实现1339 S m^-1的高电导率和345.2 F cm^-3的大体积电容，质量比电容为195 F g^-1。经过7500次循环后，在0.5 A g^-1的电流密度下仍有125％的电容保持率，说明其作为柔性超级电容器电极具有巨大潜力。研究还表明，石墨烯纳米片可以充当阻挡层或保护层，以防止杂化物中MXene的氧化。

【图文导读】

图1. rGO/MXene类纤维混合材料的制备工艺示意图

图2. (a)多层Ti₃C₂T_x的SEM图像;(b)单层Ti₃C₂T_x的TEM图像;(c-d) Ti₃C₂T_x的XRD图谱和拉曼光谱;(e)超声处理2小时获得的氧化石墨烯纳米片的SEM图像;(f)纯rGO样品表面的SEM图像;(g) PP管内rGO样品成形的数码照片;(h)用针织手套编织的氧化石墨烯样本的数码照片

图4. (a)rGO，Ti₃C₂T_x纳米片和不同Ti₃C₂T_x含量的rGO/MXene复合物的XRD图像;(b) rGO纤维状样品，Ti₃C₂T_x纳米片和不同rGO/MXene复合物的拉曼光谱;Ti₃C₂T_x纳米片和rGO/M-1的(c - d)C 1s XPS光谱;(e - f)Ti 2p XPS光谱

图5. (a)扫描速率为10 mV s^-1的CV曲线(b)电流密度为0.1 A g^-1的恒流充放电曲线;(c)不同扫描速率下的CV曲线;(d)rGO/M-5在不同电流密度下的恒流充放电曲线;(e)频率范围为100 ~ 0.01 kHz的尼奎斯特图;(f)rGO/MXene复合物的倍率性能;(g)H⁺流在电化学反应中示意图

图6.(a) rGO/M-5的循环寿命;循环测试后rGO/M-5的(b)截面SEM图像;(c)拉曼光谱和(d) C1s XPS光谱

图7. (a)与其他报告相比，rGO/MXene类纤维复合物的质量和体积电容;(b)与其他报告值相比，rGO/M-5的质量能量密度与电容保持率的关系

【本文总结】

我们设计了一种简便的一步自组装水热法，用于制造柔性类纤维状rGO/MXene的超级电容器复合电极。由于石墨烯与MXene纳米薄片之间存在协同作用，夹层纳米结构可以有效地结合MXene的高导电性和赝电容性，从而大大提高电极的电化学性能。只有5 wt %负载量的MXene类纤维复合电极体积电容可以达到345.2cm^-3，在0.1A g^-1时质量比电容为195 F g^-1 ,高于其他报道过的石墨烯和碳纳米管电极以及大负载量MXene的rGO/MXene类纤维电极。在电流密度为0.5A g^-1时，7500次循环后，电容保持率为124.8%，其循环稳定性良好。此外，复合产物中石墨烯可以抑制MXene的氧化过程。本工作为超级电容器用高性能混合电极材料的开发提供了一种通用而有效的策略。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227398