柔性MXene/graphene薄膜用于超高体积容量高速超级电容器

MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物或氮化物材料,具有类似石墨烯的二维结构,其化学通式可用Mn+1XnTx表示,n = 1, 2, 3, 其中M为前过渡金属元素,X为碳或氮元素,T为表面官能团。MXene是由三元层状化合物MAX剥离而来,MAX的化学式为Mn+1AXn,其中A主要为IIIA和IVA族元素。因其具有高比表面积、高电导率和良好的亲水性能等优点,MXene被广泛应用在锂离子电池、钠离子电池、超级电容器、选择性离子筛分、电磁屏蔽、生物医学等领域中。与石墨烯类似,相邻的MXene纳米片层间存在较强的范德华力,因此片层间的聚集和堆叠往往是不可避免的,严重降低了MXene片层的电化学利用率。

为了有效抑制MXene的团聚,哈尔滨工程大学闫俊教授团队和美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授团队合作,以带正电荷的还原氧化石墨烯(rGO)和带负电荷的Ti3C2 MXene纳米片为原料,采用静电层-层自组装法制备出具有良好导电性、高密度MXene/rGO柔性复合薄膜,作为超级电容器电极材料,表现出优越的电化学性能。制备的复合材料有效抑制了石墨烯和MXene纳米片的自团聚,保持了超高的电导率(2261 S/cm)和较高的密度(3.1 g/cm3)。同时,MXene片层间的石墨烯纳米片起到了导电层间支撑剂的作用,有效增大了MXene片层间的距离,为电解液离子的快速传输提供了高速通道,保证了高倍率性能。

AFM-yanjun

作为超级电容器电极材料,该MXene/rGO柔性薄膜显示出超高的体积比容量(1040 F/cm3 @ 2 mV/s),当扫速增大到1 V/s时电容保持率为61%,远远高于纯MXene(28%)。此外,柔性薄膜显示出良好的电化学循环稳定性,20000次循环后比容量几乎没有衰减。基于MXene/rGO柔性薄膜的对称电容器在水性体系下具有超高的体积能量密度(32.6 Wh/L)和体积功率(74.4 kW/L)。

由于良好的电化学性能和独特的复合结构,研究人员深信该工作将不仅为设计与开发柔性MXene材料提供了新思路,而且为未来对高体积容量、高倍率储能材料的需求提供了材料保障。相关研究工作已发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201701264)上。