Advanced Materials:超快激光诱导MXene量子点和石墨烯用于透明超级电容

工业电子经济的崛起,引发了新型电子器件的个性化设计浪潮。透明电子器件无疑是其中最受关注的浪花之一,随之而来的透明储能设备的设计与发展也显得尤为关键。透明储能设备主要依靠对储能材料的巧妙设计,实现整体器件透明化的目的,但是如何兼顾高的透明度和优异的储能性能一直以来是一个难题。

最近,北京理工大学姜澜教授课题组报道了一种基于电子动态调控的时空整形飞秒激光调控合成MXene量子点(MQDs)材料与还原氧化石墨烯的异质结并作为电极材料,获得了高透明度和高性能的透明超级电容。研究结果表明,经过时空整形的飞秒激光聚焦在氧化石墨烯(GO)分散液的液相氛围中的MXene固体靶材,原位诱发MXene靶材的多级电离和光剥离,以及氧化石墨烯的光化学还原反应,得到的透明电极材料可以组装成三明治型的微型透明超级电容,这种二维材料异质结透明超级电容在透明度为90%的情况下,仍能够保持较高的面积比电容性能(10.42 mF cm−2),同时具备良好的循环寿命性能,在循环12000次后仍能保持97.6%的性能,我们的方法为制备纳米结构二维复合透明电极材料提供了思路。

图1. 三种不同类型的激光加工GO分散液中MXene靶材的示意图和结果对比

利用时空整形的飞秒激光能够在时域上形成有脉冲延迟的双脉冲序列;在空域上则会拉长光场在Z轴空间上的分布,将整形飞秒激光光强最强处聚焦到MXene靶材,其余光场则照射在液相环境中用来还原GO分散液得到还原氧化石墨烯(rGO),由此可以一步原位将MXene靶材多级量子化,又同时实现对GO的光化学还原,最后高效地得到了二维材料异质结。而传统激光只能聚焦一点,其加工能力有限,无法同步实现二维材料异质结的光诱导合成。

图2. 时域空域整形飞秒激光加工GO分散液和MXene靶材的局部放大示意图以及加工过程中的等离子体观测

当整形的飞秒激光和物质相互作用时,种子电子主要通过第一个子脉冲引起的强电场电离(多光子电离和隧道电离)产生。电子从成键状态被激发到反键状态,削弱了价带顶部附近的C-O电子键,直接导致了氧原子的移除。当第二个子脉冲被发射出来时,还原过程被促进了,子脉冲给了氧原子足够的动能,使其作为气体离开石墨烯片,而由于碳碳键比碳氧更为稳定,因此无法给碳键实质性的动能,从而不会破坏石墨烯的原始结构。当第一个子脉冲照射到MXene表面时,被加热的电子被释放出来, MXene纳米片的层间相互作用通过库仑干扰而减少,导致第一级光致辐射和产生MQDs。在第一级光剥离后,MXene表面的电子-空穴重组不完全,电离增强,导致纳米片和MQDs的库仑排斥,由电离引起的电荷积累所增强的库仑斥力促进了二次等离子体的发射和小单层MQDs的光剥离。我们也选择不同的时间分辨率来获得不同的快速等离子体膨胀图像,时域空域整形的飞秒激光诱导的多级等离子体膨胀明显比传统的高斯激光器更强烈。

图3. 时空整形飞秒激光合成复合材料的详细反应机制和过程以及对复合材料的表征

从材料合成的角度展示了GO和MXene反应过程以及MQDs/rGO复合材料形成的更多细节,这与之前提到的机制是一致的。对比原始的GO和MXene与合成的复合材料的拉曼光谱,X射线衍射图谱(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)的表征可以发现,有明显的对应特征峰以及峰位的偏移或者不同,验证了层状MXene向MQDs的转变和GO的还原。

图4. 利用MQDs/rGO作为电极组装成透明超级电容的性能展示

利用凝胶电解质组装得到的透明超级电容展示了超高的透光率和机械柔性,且在透光率分别为90%、80%、70%、60%和50%时展现出良好的面积比电容性能(10.42、15.2、23.1、39.8和64.6 mF cm-2),同时具备高的能量和功率密度(分别为2.04 × 10-3 mWh cm-2和129.4 μWh cm-2)。北京理工大学博士生原永玖为论文的第一作者,北京理工大学姜澜教授为论文的通讯作者。

Ultrafast Shaped Laser Induced Synthesis of MXene Quantum Dots/Graphene for Transparent Supercapacitors

Yongjiu Yuan, Lan Jiang*, Xin Li, Pei Zuo, Xueqiang Zhang, Yiling Lian, Yunlong Ma, Misheng Liang, Yang Zhao, Liangti Qu

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202110013

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202110013