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。

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。

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。

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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