Advanced Science:基于无氟快速制备MXene组分纳米线的能量转换及其柔性储能的应用

自从石墨烯问世以来,科学家们一直致力于揭开二维材料的独特物理和化学特性的神秘面纱。然而,目前多数二维材料在高温或高湿度的环境下存在不稳定的问题。自从2011年二维过渡金属碳化物或氮化物(MXene)被Gogotsi 和Barsoum研究团队发现后,MXene凭借其高稳定性和高亲水性的特性,在电化学催化、能量转换和存储等领域引起了广泛的关注。 MXene通常用Mn+1XnTx(n = 1、2和3)的化学式来表示,其中M代表早期过渡金属(例如Ti、Nb、Cr和V等),X代表C、N元素,Tx代表-OH 、-O、-Cl和-F的功能基团。基于丰富的功能基团,MXene能灵活地适应各种复合系统,并拥有极高的机械强度和导电性能。但是,常规制备MXene的方法通常涉及危险的高浓度氟化物长时间腐蚀的合成路线,高腐蚀性有毒的氢氟酸的不慎使用会导致中毒甚至有死亡的危险。同时,HF刻蚀的MXene中不稳定的-F功能基团,亦可能会抑制电解质/电极相互作用下的电化学反应稳定性。另外,MXene的2D堆叠结构和键合力对表面动力学和离子交换过程有影响,导致在某些能源开发应用方面有所掣肘。

香港理工大学应用物理学系郝建华教授课题组,无需使用HF从而制备出新型且稳固的MXene化合物组分的碳化铌(Nb2CTx)纳米线-碳纤维布复合器件。这是该研究团队继去年提出无氟安全合成2D MXene的通用策略(J. Am. Chem. Soc., 141, 9610 (2019))后,利用自组装的特性,在MXene相关化合物组分的1D/3D结构的新突破。通过与传统的2D Nb2CTx纳米片以及用HF刻蚀的Nb2CTx纳米线进行比较,研究结果表明,结合合适的柔性衬底和合理设计的MXene化合物,其系统的储能和转化活性能都有较大的提高。与传统的合成方法相比,改进的电化学刻蚀方法的合成时间大幅缩短至4小时。利用降低的内部电阻和较多的反应位点,碳化铌纳米线展现出较低的释氢和释氧过电位。运用新颖的设计策略,制备的水系柔性电池表现出较好的循环性能,在形变条件下可保持稳定的功率输出,其结果有助于前景广泛的柔性储能应用。

研究者相信,这项工作以新颖且无毒安全的MXene组分纳米线的快速合成方法,为此类材料进一步的基础研究和多功能应用铺平了道路。这种结合柔性材料与稳固纳米线优势互补的策略,也将为其他材料体系的研究和应用提供借鉴。该论文的第一作者为香港理工大学博士生彭倩儿,通讯作者为香港理工大学郝建华教授。相关的论文发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201903680)上。