MnO2/Ti3C2纳米片分子堆叠构筑高柔性和导电性电极并提高赝电容

近年来,随着便携式可穿戴电子设备的蓬勃发展,各类柔性电子器件应运而生,特别是柔性电容器因其结构简单、功率密度大、循环寿命长等特点,引起广泛的关注。在众多电极材料中,二氧化锰(MnO2)因其高的理论容量和倍率性能、环境友好、资源丰富等优势脱颖而出,成为高性能赝电容器电极材料的最佳选择。此外,MnO2纳米片在水溶液中的高分散性为其组装成膜提供了巨大的便利。然而,纯MnO2作为赝电容电极材料时导电性较差,常常需要添加纳米导电材料(如碳纳米管、石墨烯、导电炭黑等)。目前,同时具有高导电性和亲水性的补充材料仍十分匮乏。

令人欣慰的是,MXene作为一种新兴的过渡金属碳化物或氮化物,兼具优异的机械性能、金属碳化物的高导电性和表面端基的亲水性等特点,且与MnO2纳米片之间相容性好,有望提高MnO2纳米片的赝电容。

近期,苏州大学耿凤霞研究团队开发了一种简单、可控制备MXene基高性能柔性复合电极的方法。该方法直接将金属氧化物MnO2与Ti3C2二维纳米片溶液混合,利用MnO2与Ti3C2纳米片之间良好的互溶性,辅以真空抽滤法,首次成功设计出一种分子水平层层有序堆叠、具有准异质结结构的MnO2/Ti3C2高柔性电极。其中,超薄MnO2纳米片为电极提供了大量暴露的活性位点和高的理论容量;Ti3C2纳米片的高导电性促进了电化学反应过程中离子/电荷的传输并有效降低了传输阻力;层层有序堆叠结构使得MnO2和Ti3C2纳米片之间具有较强的相互作用,赋予电极的高度的完整性和柔性,同时有利于离子/电荷在界面间的传输。所制备的电极最终获得了高容量、优异的倍率性能和极好的循环稳定性。电化学测试结果表明,在三电极系统中电流密度为1 A·g-1时获得了305 F·g-1的高电容,且经过6000个循环后仍具有93%的电容保持率,表现出极好的循环稳定性;在对称柔性电容器中获得了8.3 Wh·kg−1的能量密度和2376 W·kg−1的功率密度。此外,在弯曲0~180°范围内对其进行了柔性测试,发现电容值基本没有损失,表明该材料出色的可弯曲性和机械稳定性。该成果为制备基于二维材料的高性能柔性电极提供了新颖的方法和思路,有望加速便携式可穿戴电子设备的应用进程。

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201602834)上。