Advanced Functional Materials:原位冰模板法构筑超级电容器高性能三维MXene基膜电极

MXene具有类金属的导电性、高密度和优异的赝电容特性,作为超级电容器电极具有高的体积比电容和优异的倍率性能。此外,由于其独特的二维层状结构,MXene可以制备成柔性薄膜电极,应用于可穿戴微电子器件。然而,在膜电极制备过程中,MXene层间范德华力引起的片层堆叠现象抑制了表面活性位点的有效利用和离子的快速输运,进而影响了MXene作为电极材料时的比容量和倍率性能。构筑三维多孔结构是抑制其片层堆叠、提高表面活性位点利用率的有效途径,但现有的方法大多较为繁琐,因此发展更为简便的制备高性能三维柔性自支撑MXene膜仍然是一个挑战。

北京化工大学徐斌教授团队提出一种以冷冻干燥技术代替传统MXene膜电极制备过程中普遍采用的真空干燥法,简便高效构筑三维多孔MXene膜电极的新策略。和目前已报道的多孔MXene膜电极相比,利用冷冻干燥制备多孔MXene膜电极的方法更为简便,无需任何后处理过程,避免了MXene在后处理过程中被氧化的风险。此外,通过引入层间碳纳米管,利用冷冻干燥法制得了三维结构更加发达的MXene/CNTs膜电极,实现了MXene基膜电极电化学性能的大幅度提升。该研究成果以“In situ ice template approach to fabricate 3D flexible MXene film-based electrode for high performance supercapacitors”为题发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202000922)上。

采用传统的真空干燥法的MXene膜中,MXene纳米片致密堆叠使得活性表面位点大幅减少。通过冷冻干燥得到的三维MXene膜,冰模板脱除后留下三维多孔结构,CNTs的引入在MXene层间引入更多的水分子和冰模板,使得构筑的三维结构更加发达。柔性三维多孔结构不仅使MXene膜内部的表面活性位点得以充分暴露从而提高了活性位点的利用率,而且非常有利于离子的扩散和电子的传输,因而表现出优异的电化学性能。将三维柔性MXene/CNTs膜直接用作超级电容器的电极,在5 mV s-1的扫速下比电容达375.0 F g-1,在 10,000 mV s-1的超高扫速下,仍能保持92 F g-1的比电容,表现出了优异的倍率性能。将三维柔性MXene/CNTs膜电极进一步组装成对称超级电容器器件,以电极材料计,其在498.6 W kg-1的功率密度下表现出23.9 Wh kg-1的比能量。这一研究表明通过冷冻干燥,利用原位冰模板法构筑三维结构可以显著提高MXene膜电极的电化学性能,为三维柔性MXene基膜电极的构筑提供了新思路。