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東華大學(xué)武培怡課題組和復(fù)旦大學(xué) Dong Yang課題組--高性能MXene水凝膠用作高性能超級電容器電極 的多尺度結(jié)構(gòu)工程策略
       作為一種新興的二維(2D)材料,MXenes在超級電容器等電化學(xué)儲能系統(tǒng)中引起了人們極大的興趣。然而,當(dāng)二維MXene薄片在自組裝為電極時,本質(zhì)上傾向于平躺在襯底上,導(dǎo)致與集電極正交的離子路徑高度曲折,阻礙了離子的傳輸。這里,作者提出了一種簡便的、多尺度結(jié)構(gòu)調(diào)整的策略,以制造高性能的MXene水凝膠超級電容器電極。MXene漿料經(jīng)過單向冷凍后,在硫酸電解液進(jìn)行解凍,在這個過程中,自支撐的MXene凝膠電極被賦予了三維(3D)有序的宏觀結(jié)構(gòu),其中充滿了足夠的電解質(zhì)和H+插層微結(jié)構(gòu),這為水凝膠電極提供了豐富的離子儲存活性位點。同時,有序的通道帶來了縱向方向上高效的離子和電子傳輸途徑,促進(jìn)了電解液的滲透和電解液與電極之間的物質(zhì)交換。此外,該策略還可以擴(kuò)展到3D打印的全MXene微型超級電容器(MSC)的制造,在1.2 mA cm-2下提供2.0 F cm-2的超高面積電容,并在60 mA cm-2下保持1.2 F cm-2的電容以及創(chuàng)紀(jì)錄的高能量密度(0.38 mW cm-2下高達(dá)0.1 mWh cm-2)。
 

Figure 1.多尺度結(jié)構(gòu)工程策略(MSE)結(jié)合單向冷凍和在H2SO4中解凍來制備MXene水凝膠超級電容器電極的示意圖。
 

Figure 2. (a)Ti3C2Tx MXene薄片的原子力顯微鏡圖像。(b)根據(jù)TEM圖像統(tǒng)計MXene薄片的尺寸。(c)有序MXene水凝膠的截面和(d)俯視掃描電鏡圖像。(e)MXene水凝膠和氣凝膠的水接觸角。(f)H2SO4解凍MXene水凝膠、H2SO4浸泡氣凝膠和凍干氣凝膠的XRD圖譜和(g)放大圖譜。
 

 Figure 3. (a)MXene有序水凝膠在不同掃描速率和電流密度下的CV曲線和(b)GCD曲線。(c)有序MXene水凝膠的循環(huán)性能。插圖:10000次循環(huán)(100 mV s-1)前后的CV曲線對比。對比(d)有序水凝膠、無序水凝膠、H2SO4浸漬氣凝膠和過濾后MXene膜的CV曲線(100 mV s-1)、(e)倍率性能和(f)EIS比較。
 

Figure 4. (a)基于多尺度結(jié)構(gòu)工程策略3D打印全MXene微型超級電容器(MSC)的制備過程。(b)MXene漿料的數(shù)碼照片。(c)MXene油墨的剪切減薄行為(不同剪切速率下的應(yīng)力和粘度)。(d)MXene油墨的振蕩測量值(1 Hz),應(yīng)變從0.1%到500%并返回到0.1%。(e、f)3D打印MXene MSC的照片,比例尺為1cm。(g)MXene水凝膠MSC的俯視SEM圖像。
 
 
Figure 5. 3D打印MXene  MSC的(a)CV曲線和(b)在不同掃描速率和電流密度下的GCD曲線。(c)MXene水凝膠MSC的倍率性能。(d)MXene水凝膠MSC的循環(huán)性能。(e)循環(huán)試驗前后MSC的EIS。(f)3D打印的MXene MSC與其他報告值的Ragone比較圖。
 
       相關(guān)研究成果由東華大學(xué) Peiyi Wu課題組和復(fù)旦大學(xué) Dong Yang課題組于2021年發(fā)表在《ADVANCED SCIENCE》 (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202101664)上。原文:A Multi-Scale Structural Engineering Strategy for High-Performance MXene Hydrogel Supercapacitor Electrode 。

轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號

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