MXene-二维层状赝电容超级电容器材料的新成员

超级电容器由于具有比电池更高的功率密度,比传统平板电容器更高的能量密度,被认为是下一代能源存储设备。在众多的电极材料中,二维固体材料由于具有大的电化学活性表面,一直是产业界和学界的研究热点。尽管石墨烯是常见的二维层状材料,但本征无缺陷的石墨烯的主要容量来自于双电层电容(electrical double-layer capacitance,EDLC),若不引入氧化还原反应即赝电容(pseudocapacitance),石墨烯的电化学性能受到大大限制。而在赝电容材料如MnO2,Co3O4等,虽然具有比较高的能量密度,但循环寿命短。

最近几年,MXene作为二维固体材料的新成员,由于具有优异的物理和化学性能,引起了研究者们的广泛关注,其作为电极材料也显示出了优异的电化学储能性能和电子导电性。MXene是指一类Mn+1XnTx复合材料,其中M是前过渡金属,X可以是碳或者氮,n=1,2,3,Tx则代表表面官能团(-O,-OH,或-F),通过腐蚀MAX相材料中的A制得,形成稳定的MX层,并在表面吸附F-/OH-。研究表明,MXene的电化学储能性能受表面官能团的影响很大。表面吸附的F-/OH-等基团,一方面,不利于电解质离子在层间的快速迁移,另一方面,影响活性位点过渡金属M在MXene层中的氧化还原反应。因此,表面吸附的F-/OH-等基团是影响MXene材料作为超级电容器电极材料性能的主要原因之一。

AENM-sunjunliang

近期,北京大学孙俊良课题组报道了一种通过阳离子夹层和表面改性有效地提高Ti3C2Tx MXene的质量比电容的方法。在K+插入和端基(OH-/F-)部分被移除之后,夹层材料的赝电容比原始MXene材料电容高三倍以上,同时MXene片层的质量比电容明显增大,在1A/g的电流密度下质量电容可达517F/g;此外,制备好的电极在循环10000圈后仍能保留99%。放电速率为1A/ g时,在1M H2SO4 和 1 M Li2SO4混合溶液电解质中对称超级电容器测试得到的最大能量密度可达27.4Wh/kg,材料优异的性能是因为Ti3C2层间有较大的层间空隙和MXene层间极低的端基官能团浓度。

此项研究为改进提高其他MXene材料(Ti2CTx, Nb2CTx,)电化学储能性能提供了新思路,使得MXene材料成为一种有实际应用前景的赝电容材料。相关工作发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201602725)上。