Small Structures:大尺寸纳米片制备柔性Ti3C2Tx/石墨烯复合膜用于超级电容器

新型2D Ti3C2Tx MXene材料在超级电容器领域得到了广泛的研究;然而,由于MXene纳米片的自堆积现象不可避免的降低Ti3C2Tx薄膜的电化学性能。为了改善2D材料这种固有的缺点,普遍认为通过将金属纳米粒子、碳纳米管、石墨烯或有机聚合物等第二相填料引入MXene纳米片中制备复合膜可以增加MXene纳米片层间间距,有效地缓解这种固有的缺点。

西安交通大学周迪教授等通过无水三氯化铁(FeCl3)插层天然石墨片、经NaHB4膨胀后制备了结构性完整、尺寸较大的石墨烯;进一步将石墨烯引入Ti3C2Tx MXene中制备Ti3C2Tx/石墨烯复合膜,结果表明复合膜电极比电容量的提高不是由于Ti3C2Tx层间间距的增大,而是由于电极材料比表面积的增大所致。文章第一作者是博士研究生郭铁柱。

图1 (a)Ti3C2Tx、Ti3C2Tx/石墨烯复合膜的XRD(b)纯Ti3C2Tx膜的接触角(c)Ti3C2Tx/石墨烯复合膜的接触角

综合考虑电极材料电导率、亲水性、层间间距、比表面积等因素对电极比容量的影响,我们由XRD分析可知,纯MXene和复合膜层间间距相似,因而认为层间间距不是提高电极比电容量的主要因素。此外,由于复合膜电导率略低于纯MXene样品的导电性,进而也可以排除导电性的影响。虽然复合膜的接触角(44o)略高于纯Ti3C2Tx(35o),但它仍然是亲水膜,因此认为它也不是影响比电容量的主要因素。然而发现复合膜(193.9 m2 g-1)的比表面积远远大于纯Ti3C2Tx(0.13 m2 g-1)。通过分析MXene扩散控制电容量与表面控制电容量的比例可知,复合膜的表面电容量明显高于纯Ti3C2Tx的表面电容量。因此,我们有理由认为,在各种因素的协同作用中,比表面积是决定电极比电容量较为重要的参数。

图2 为Ti3C2Tx/石墨烯复合膜的SEM断面及Ti、C元素的分布

根据SEM分析可知,石墨烯在Ti3C2Tx中主要以自由分布的形式存在,这与一些文献认为通过增加Ti3C2Tx的层间间距来优化材料比电容量的结论不同,我们认为这种现在的原因可能是大尺寸的二维纳米片由于自发的收缩,因而不利于形成层层自组装导致。本文为制备MXene复合薄膜的研究提供了新思路和见解。

通讯作者简介

周迪教授,现任西安交通大学电子科学与工程学院副院长;主要研究领域有储能电容器材料、面向高频/储能/吸波功能复合介质材料、二维MXene材料的应用等。2020年入选国家QB计划;担任美陶副编Associate Editor of the Journal of the American Ceramic Society);国际应用陶瓷技术副编(Associate Editor of International Journal of Applied Ceramic Technology);2020年获得陕西省电子学会科学技术奖自然科学一等奖(第一完成人);2021年获得陕西省高等学校科学技术奖一等奖(第一完成人);获得国际衍射数据中心标准X射线衍射卡八项(PDF 60-482:Li0.5Ti0.4Nb0.45O2等,应邀提交另外4个卡片数据申请).

论文信息:

Flexible Ti3C2Tx/Graphene Films with Large-sized Flakes for Supercapacitors

Tiezhu Guo, Maosen Fu, Di Zhou*, Lixia Pang, Jinzhan Su, Huixing Lin, Xiaogang Yao, and Antonio Sergio Bezerra Sombra

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100015

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/full/doi/10.1002/sstr.202100015