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静电自组装法制备高体积比电容MXene/石墨烯复合材料

静电自组装法制备高体积比电容MXene/石墨烯复合材料

MXenes一种新型二维过渡金属碳化物或碳氮化物材料,其化学通式可用Mn+1XnTx表示,其中M指过渡族金属,X指C或N,n一般为1-3,Tx指表面基团。它因具有高比表面积、高电导率和良好的亲水性能的特点,被广泛应用在锂离子电池、钠离子电池以及超级电容器等储能领域中。与石墨烯类似,MXene纳米片间的聚集和堆叠是不可避免的,这严重影响了其电化学性能。

静电自组装法制备高体积比电容MXene/石墨烯复合材料

图1 MXene/rGO复合材料合成过程图。

近期,德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授等人以带正电荷的还原氧化石墨烯(rGO)和带负电荷的碳化钛MXene纳米片为原材料,通过静电自组装法合成出MXene/rGO复合材料,作为超级电容器电极材料,表现出优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊Adv. Funct. Mater.上。

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图2 (a)在3 M H2SO4电解质中,扫速为20 mV/s时,MXene和MXene/rGO的CV图;(b)M/G-5%电极在不同扫速下的CV图;(c)M/G-5%电极的峰值电流与扫描速率(2-50 mV/s)之间的关系图;(d)M/G-5%电极在不同电流密度下的充放电曲线图;(e-f)MXene和MXene/rGO电极在不同扫速下的质量比电容和体积比电容图。

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图3 MXene和M/G-5%电极在对称超级电容器中不同扫速下的(a)CV图;(b)质量比电容图;MXene和M/G-5%电极在对称超级电容器中(c)质量;(d)体积能量和功率密度图。

M/G-5%(5%为rGO的质量分数)复合材料表现出超高的电导率(2261 S/cm)和密度(3.1 g/cm^3)以及优越的电化学性能。以3 M H2SO4电解质为电解质,运用三电极体系检测MXene/rGO电极的电化学性能。在扫速2 mV/s,M/G-5%电极体积比电容高达1040 F/cm^3;在扫速100 mV/s 和1 V/s下,体积比电容为777和634 F/cm^3,体现了良好的倍率性能。为了检测M/G-5%电极在实际应用中的性能,将其应用在对称超级电容器中,表现出超高的体积比能量密度32.6 Wh/L。

作者在文中解释了MXene/rGO电极具有如此良好电化学性能的原因:(1)在MXene层之间插入rGO纳米片不仅可以有效地抑制MXene层间的堆叠,而且可以增大MXene的层间距形成良好对齐的交替排列结构。这有利于电解质离子的快速扩散和运输,提高MXene的电化学利用率和倍率性能;(2)良好的电导率有利于充放电过程中离子快速转移,减小内部阻抗;(3)高的电极密度有利于提高体积比电容。


参考文献:

Jun Yan, Chang E. Ren, Kathleen Maleski, Christine B. Hatter, Babak Anasori, Patrick Urbankowski, Asya Sarycheva, and Yury Gogotsi. Flexible MXene/Graphene Films for Ultrafast Supercapacitors with Outstanding Volumetric Capacitance, Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201701264

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