杨全红教授课题组AM:一种具有超高面积储能密度的MXene
引言
从二维(2D)单元组装三维(3D)结构材料为构建厚且密集的电极铺平了道路,这是对实用能量存储装置的长期追求。2D过渡金属碳化物(MXene)因其基于溶液的组装能力有望实现这一目标。
此外,与广泛使用的通常具有高重量性能但低体积性能的碳基电极材料相比,二维(2D)过渡金属碳化物(MXene)具有良好的导电性、丰富的活性位点和高的本征密度,已被研究证明是高面积和体积储能的优异候选材料。然而,由于缺乏多孔离子传输路径,在生产高面积电容电极方面面临巨大挑战。
成果简介
近日,天津大学教授提出了利用氢碘酸(HI)引发的凝胶化-致密化过程,通过质子打破MXene纳米片的静电平衡来引发凝胶化,而HI作为间隔物来防止在毛细管收缩期间重新堆积。还原性HI的受控蒸发留下了用于传输的超级收缩但多孔的网络,并且生产的单片显示出2.74 g cm-3的高密度和18.6 F cm-2的前所未有的面。该研究以题目为“Hydroiodic Acid Initiated Dense yet Porous Ti3C2TxMXene Monoliths towards Superhigh Areal Energy Storage”的论文发表在材料领域国际顶级期刊《Advanced Materials》。
图文导读
【图1】MXene的胶凝过程。a)由强酸引发的MXene凝胶化示意图。b)具有不同pH的MXene悬浮液的Zeta电势。c)用不同浓度的HI形成的MXene水凝胶的储能模量和损耗模量。
【图2】不同浓度HI介导的致密MXene整体结构。a)由不同浓度HI的MXene水凝胶转化为致密MXene整体的示意图。b-e)致密MXene整体的SEM和f-i) TEM图像。j)致密MXene整体的密度。k,l)N2吸附/解吸等温线和致密MXene整体的孔径分布。
【图3】不同卤酸介导的致密MXene整体结构。HCl、HBr和HI介导的MXene膜和致密MXene整体的a-b)N2吸附-脱附等温线和孔分布。c)由HCl、HBr和HI介导的致密MXene整体的密度。d)水、HCl、HBr和HI的表面张力。e)水、HCl、HBr和HI对Ti3C2Tx薄膜表面的接触角。f) MXene薄膜、g) DMH-HCl、h) DMH-HBr和i) DMH-HI的SEM图像。
【图4】DMH-4的电化学性能。a)通过机械压制DMH-4制造的电极的数码照片。b)厚MXene膜和c) DMH-4对3M H2SO4的接触角。d)以2mV·s-1的扫描速率收集的DMH-4和厚MXene膜的CV曲线。e)DMH-4和厚MXene膜的奈奎斯特图。f)在从2mV·s-1到100mV·s-1的扫描速率下收集的DMH-4和致密MXene薄膜的面积电容。g)DMH-4、过滤的MXene薄膜和先前报道的多孔MXene的密度。h)DMH-4和其它报道的基于MXene的高厚度电极之间的面积电容和体积电容的比较。
总结和展望
综上所述,本工作提出了一种用卤酸引发MXene胶体溶液的凝胶化-致密化策略。HI诱导生成的MXene整体结构致密且多孔,可直接用作高性能超级电容器的厚而致密的电极。MXene的凝胶化是通过引入质子并打破MXene纳米片的静电平衡来触发的,导致它们面对面堆积并形成具有3D互连结构的水凝胶。在通过去除具有适当表面张力的溶剂(如HI)而引起的毛细收缩之后,3D结构可以被保留。部分保留在MXene纳米片之间的HI可以保留离子传输的路径。作者探索了HI的浓度和卤素阴离子的种类的影响,以获得具有孔隙率和密度的良好平衡的优化的DMH。最后,制备的DMH-4表现出高达18.6 F·cm-2的优异面积电容,这是迄今报道的最高值之一。这项工作还可能为用2D材料设计高性能TDE铺平道路,这对于需要有限空间和长放电寿命的下一代电子产品来说是有希望的。
参考文献
Wu, Z., Deng, Y., Yu, J., Han, J., Shang, T., Chen, D., Wang, N., Gu, S., Lv, W., Kang, F., Tao, Y. and Yang, Q.-H. (2023), Hydroiodic Acid Initiated Dense yet Porous Ti3C2Tx MXene Monoliths towards Superhigh Areal Energy Storage. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2300580.
DOI: 10.1002/adma.202300580
https://doi.org/10.1002/adma.202300580
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