MXene超电电极综述:Ti3C2Tx 的可控合成、结构构建及储能机理

Enhancing Capacitance Performance of Ti3C2Tx MXene as Electrode Materials of Supercapacitor: From Controlled Preparation to Composite Structure Construction

Xiaobei Zang, Jiali Wang, Yijiang Qin, Teng Wang, Chengpeng He, Qingguo Shao, Hongwei Zhu, Ning Cao*

Nano‑Micro Lett.(2020) 12:77

https://doi.org/10.1007/s40820-020-0415-5

研究背景

超级电容器由于具有比电池更高的功率密度,比传统平板电容器更高的能量密度,被认为是下一代能源存储设备。最近几年,MXene作为二维固体材料的新成员,由于具有优异的物理和化学性能,引起了研究者们的广泛关注,其作为电极材料也显示出了优异的电化学储能性能和电子导电性。
本文亮点

1. 对传统和新颖的刻蚀方法进行了总结和比较,特别是无氟方法。对加速剥离Ti3C2Tx的方法进行分类。
2. 比较了不同电解质中Ti3C2Tx储能机理,探讨了形貌和表面官能团对储能机理的影响。
3. 针对Ti3C2Tx的问题,总结并比较了从结构调节到复合结构构建的改善电容的策略。
内容简介

Ti3C2Tx是一种新型的二维层状材料,由于其良好的金属导电性,氧化还原反应活性表面等优点,被广泛用作超级电容器的电极材料。但是,Ti3C2Tx存在许多挑战有待解决,阻碍了其获得理想的比电容,例如钛的重新堆积,重新压碎和氧化。最近,许多增强Ti3C2Tx的电容性能策略被提出。中国石油大学(华东)曹宁副教授团队在这篇综述中,总结并比较了改善Ti3C2Tx超级电容器电极材料的比电容的最新策略,例如成膜,表面改性和复合方法。此外,为了理解这些机理,本综述分析了不同电解质中的储能性能及其影响因素。该综述有望预测超级电容器中Ti3C2Tx材料的研究方向。

图文导读

提高Ti3C2Tx电容的一般策略

图1. (a)Ti3C2Tx的结构;(b)N掺杂的Ti3C2Tx;(c)Ti3C2Tx/层状金属双氢氧化物;(d)Ti3C2Tx/导电聚合物;(e)碳插层的Ti3C2Tx复合纸;(f)WO3/Ti3C2Tx复合纸;(g)3D Ti3C2Tx气凝胶。

II Ti3C2Tx性质

图2. Ti3C2Tx结构。(a)Ti3C2Tx的原子构型图;(b)Mxene蚀刻和剥离的工艺示意图;(c)Ti3C2Tx颗粒和Ti3C2Tx的扫描电子显微镜(SEM)图像。

III Ti3C2Tx电容特性

3.1 双电层电容

图3. Ti3C2Tx在5 mV/s的扫描速率下的电化学性能。(a)Ti3C2Tx表面离子嵌入机理的示意图。(b)Ti3C2Tx在LiCl,NaCl和KCl水溶液中在不同电势窗口下的CV曲线。
3.2 赝电容

图4. Ti3C2Tx在不同电解质中的赝电容。(a)H2SO4溶液中Ti3C2Tx的表面基团的变化;(b)Ti3C2Tx的CV曲线,扫描速率为20 mV/s;(c)不同扫描速率下Ti3C2Tx的质量比电容;(d)Ti3C2Tx在KOH电解质中不同扫描速率下的CV曲线;(e)使用Ti3C2Tx作为具有溶剂化或去溶剂化状态的负极的超级电容器示意图。

IV 提高容量

4.1 表面改性

4.2 成膜

图5. (a)纳米多孔Ti3C2Tx膜的制备示意图;(b)泡沫镍的SEM图像;(c)Ti3C2Tx薄膜和改性纳米多孔薄膜的CV曲线,扫描速率为10 mV/s。MP-MXx指获得了纳米多孔Ti3C2Tx膜。

4.3 Ti3C2Tx气凝胶

图6. (a)不同放大倍数Ti3C2Tx气凝胶的SEM图像;(b)Ti3C2气凝胶的横截面图,Ti3C2气凝胶的SEM图像以及TEM;(c)Ti3C2气凝胶的CV和GCD曲线,不同质量载荷下的比电容,Ti3C2气凝胶堆叠电容的虚部(C”)的变化以及不同质量载荷下的面电容。

复合方法

5.1 导电聚合物

5.2 过渡金属氧化物

图7. (a)Ti3C2Tx与吡咯聚合示意图;(b)Ti3C2Tx/MnO2纳米线的横截面SEM图像和TEM图像;(c)不同样品Ti3C2Tx/ MnO2纳米线的CV和GCD曲线。
5.3 碳基材料

图8. Ti3C2Tx-rHGO纳米多孔网络。(a)SEM横截面图;(b)Ti3C2Tx薄膜和Ti3C2Tx-rHGO的CV和GCD曲线以及面质量负载对体积比电容的影响。

图9. (a)静电纺丝Ti3C2Tx复合材料的形貌;(b)使用双辊法制备Ti3C2Tx纤维的过程示意图;(c) 双辊法制备Ti3C2Tx纤维的表面和横截面形貌;(d)获得的CV曲线和GCD曲线。
5.4 杂原子掺杂

图10. N掺杂的Ti3C2Tx。(a)N掺杂的Ti3C2Tx在水合电解质中电荷存储示意图;(b)使用尿素作为氮源的Ti3C2和N掺杂的Ti3C2Tx的光学和SEM图像;(c)使用不同方法制备的Ti3C2薄膜和N掺杂的Ti3C2的CV曲线。
作者简介

曹宁

本文通讯作者

中国石油大学(华东)

主要研究领域

新型碳基功能材料;材料表面工程。

▍Email: caoning1982@gmail.com
▍个人主页: 

http://mse.upc.edu.cn/2018/1202/c13591a187726/page.htm

撰稿:《纳微快报》编辑部

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