2. MXene/CDs薄膜作為超級電容器電極時，能展現(xiàn)出 688.9 F g?1的超高比容量和杰出的倍率性能 。

MXene材料在電極制備過程中納米片的堆疊現(xiàn)象阻礙了電解質(zhì)離子的傳輸，嚴(yán)重限制了電極內(nèi)部離子可及性，尤其是在垂直于電極表面方向。 西南交通大學(xué)楊維清教授課題組 提出原位誘導(dǎo)刻蝕策略構(gòu)筑了一種三維互聯(lián)互通的多孔MXene/CDs電極材料。利用簡單的溶液互混輔助真空抽濾處理得到CDs插層的MXene復(fù)合材料，預(yù)插層的CDs均勻鉚定在層間，解決了MXene納米片易堆疊的問題。再對MXene/CDs進(jìn)行退火處理，利用層間CDs部分分解產(chǎn)生NH?對MXene納米片進(jìn)行原位刻蝕，以產(chǎn)生均勻分布的面內(nèi)大孔，有效降低豎直方向離子遷移路徑的迂曲度及遷移勢壘。三維互通多孔結(jié)構(gòu)不僅增加了電極內(nèi)部電化學(xué)活性位點，而且保證了豎直方向上離子的快速遷移。因此，多孔MXene/CDs電極在2 A g?1的電流密度下質(zhì)量比電容高達(dá)688.9 F g?1。相關(guān)電極組裝成柔性固態(tài)超級電容器時，能量密度高達(dá)20 Wh kg?1, 同時也展現(xiàn)出優(yōu)異的可穿戴柔韌性。

I   多孔MXene/CDs的制備與結(jié)構(gòu)表征

本工作通過傳統(tǒng)LiF-HCl刻蝕Ti?AlCN獲得Ti?CNT? MXene。經(jīng)直接抽濾得到的純MXene薄膜片層緊密排列，且層間距較小。將CDs與MXene溶液混合均勻后再抽濾可得到CDs插層的MXene薄膜，MXene層間的CDs可以有效解決MXene堆疊現(xiàn)象帶來的層間距過小的問題。進(jìn)一步將CDs插層的MXene薄膜置于管式爐中，并在氬氣氣氛保護(hù)下350°C退火處理1小時，得到多孔MXene/CDs薄膜。制備過程如圖1所示。純MXene的堆疊現(xiàn)象嚴(yán)重且結(jié)構(gòu)致密，導(dǎo)致電極內(nèi)部電解質(zhì)離子傳輸路徑長，離子遷移動力學(xué)緩慢；而多孔MXene/CDs薄膜層間距大，且二維平面孔穴結(jié)構(gòu)可以有效縮短豎直方向的離子遷移路徑。

圖1. 多孔MXene/CDs的制備工藝及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢示意圖。

如圖2a及2b所示，多孔MXene/CDs薄膜表面均勻分布著面內(nèi)大孔，同時MXene片層褶皺明顯，層間距大且結(jié)構(gòu)疏松，這種疏松且面內(nèi)多孔的結(jié)構(gòu)在提供足夠多電化學(xué)活性位點的同時，也提升了內(nèi)部的離子三維可及性。而圖2c與2d則展示了純MXene薄膜連續(xù)無孔的面內(nèi)結(jié)構(gòu)以及致密堆疊的片層堆疊結(jié)構(gòu)，這種致密無孔的薄膜電極不利于離子的傳輸。相較于純MXene，多孔MXene/CDs薄膜的XPS譜圖（圖2e）中特有的O-C=O峰及較強的C-C峰表明經(jīng)退火誘導(dǎo)原位刻蝕造孔后，多孔MXene/CDs仍有大量的碳量子存在。

圖2. 多孔MXene/CDs的SEM平面圖(a)與截面圖(b)；純MXene的SEM平面圖(c)與截面圖(d)；純MXene (e) 和多孔MXene/CDs (f) 的XPS C 1s光譜。

I I   多孔MXene/CDs薄膜三維互聯(lián)大孔的形成機理

如圖3所示，利用原位熱重-質(zhì)譜（圖3a）與熱重-紅外聯(lián)用（圖3b）對CDs高溫分解產(chǎn)氣進(jìn)行分析，結(jié)果分析表明CDs在退火過程中會分解產(chǎn)生NH?等氣體。將純MXene分別在Ar氣氛及NH?氣氛下進(jìn)行退火處理發(fā)現(xiàn)MXene僅在高溫NH?氣氛中形成了面內(nèi)大孔結(jié)構(gòu)（圖4a-4b）。所以，得到多孔MXene/CDs復(fù)合薄膜中面內(nèi)大孔的形成機理為：均勻插層的CDs部分熱解產(chǎn)生高溫NH?對MXene表面進(jìn)行原位刻蝕產(chǎn)生面內(nèi)大孔（圖3c）。

圖3. CDs的高溫?zé)峤釺G-MS (a) 與TG-FTIR (b) 分析；(c) CDs熱分解產(chǎn)生NH?對MXene原位刻蝕造孔示意圖。

圖4. 純MXene薄膜在Ar (a) 及NH? (b) 氣氛中退火后的SEM圖。

I I I   多孔MXene/CDs在三電極體系中的電化學(xué)性能

為證明三維互聯(lián)大孔結(jié)構(gòu)對提高M(jìn)Xene/CDs電化學(xué)性能的有效性，在三電極體系中以1M硫酸為電解液對多孔MXene/CDs進(jìn)行電化學(xué)性能測試（圖5）。相較于純MXene電極283.7 F g?1的比容量，多孔MXene/CDs在2 A g?1的電流密度下展現(xiàn)出688.9 F g?1的超高比容量，同時表現(xiàn)出更加優(yōu)異的倍率性能。上述結(jié)果表明三維互通的面內(nèi)大孔可有效縮短離子遷移路徑、提高電極內(nèi)離子三維可及性。此外，多孔MXene/CDs更高的贗電容貢獻(xiàn)也表明CDs的插層可以通過抑制MXene的堆疊來提供更多的氧化還原活性位點，從而提高材料的容量及倍率性能。

圖5.純MXene和多孔MXene/CDs的CV曲線圖(a-b)；倍率性能(c)；Nyquist交流-阻抗曲線圖(d)；峰值電流的對數(shù)與掃描速率之間的相關(guān)性(e)；容量貢獻(xiàn)圖(f)。

IV    基于多孔MXene/CDs柔性超級電容器的性能

為進(jìn)一步探究多孔MXene/CDs在柔性超級電容器的應(yīng)用潛力，將活性炭(AC) 與多孔MXene/CDs分別作為正負(fù)極組裝為柔性固態(tài)非對稱超級電容器，利用正負(fù)極材料電位窗口的差異，非對稱器件的電位窗口成功擴(kuò)大至1.2 V（圖6a）。多孔MXene/CDs基超級電容器可以展現(xiàn)出99.8 F g?1的質(zhì)量比容量以及20 Wh kg?1的能量密度，在8 A g?1的電流密度下充放電循環(huán)10000圈后器件仍表現(xiàn)出90%的容量保持率（圖6a-6d）。為應(yīng)對實際應(yīng)用環(huán)境對高工作電壓與高能量輸出的要求，將多個器件串聯(lián)起來還可以成功點亮由400個LED燈組成的顯示面板（圖6i）。此外，器件可以在0-90°之間任意彎曲并保持電化學(xué)性能基本不變，展現(xiàn)出優(yōu)異的可穿戴柔韌性（圖6g-6h）。

圖6. 基于多孔MXene/CDs柔性超級電容器的性能：(a) AC與多孔MXene/CDs電極的CV曲線圖；(b)純MXene與多孔MXene/CDs基柔性超級電容器的GDC曲線；(c)多孔MXene/CDs基超級電容器與其他MXene基超級電容器的拉貢圖；多孔MXene/CDs基柔性超級電容器的循環(huán)性能(d)；串并聯(lián)CV曲線(e)；串并聯(lián)GCD曲線(f); (g)器件 0-90°彎曲展示；(h) 0-90°彎曲狀態(tài)下器件的CV曲線; （i）400個LED燈被5個串聯(lián)多孔MXene/CDs基超級電容器點亮。

V   總結(jié)

在這項工作中，通過簡單的熱處理退火工藝誘導(dǎo)NH?原位刻蝕制備了一種具有三維互通多孔結(jié)構(gòu)的柔性MXene/CDs薄膜電極。利用CDs插層來拓寬MXene的片層間距并暴露更多的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)活性位點，從而提高材料的電荷存儲能力。CDs熱解過程中釋放的NH?可以原位蝕刻MXene納米片，形成均勻分布的面內(nèi)大孔，從而降低了離子豎直方向遷移路徑的迂曲度，保證了離子的快速傳輸。作為柔性超級電容器的電極，多孔MXene/CDs電極展現(xiàn)出688.9 F g?1的高質(zhì)量比電容及良好的倍率性能；相關(guān)器件能在0-90°范圍內(nèi)任意彎曲，表現(xiàn)出優(yōu)異的實際可穿戴應(yīng)用潛力。本文為構(gòu)筑高性能柔性多孔MXene薄膜電極提供了一種簡單有效的方法。

Tel:  021-34207624

掃描上方 二維碼 關(guān)注我們

點擊 閱讀原文 / 掃描上方小程序碼 在免費獲取英文原文