MXene超电电极综述：Ti3C2Tx 的可控合成、结构构建及储能机理

Enhancing Capacitance Performance of Ti3C2TxMXene as Electrode Materials of Supercapacitor: From Controlled Preparation to Composite Structure Construction

Xiaobei Zang, Jiali Wang, Yijiang Qin, Teng Wang, Chengpeng He, Qingguo Shao, Hongwei Zhu, Ning Cao*

Nano‑Micro Lett.(2020) 12:77

https://doi.org/10.1007/s40820-020-0415-5

研究背景

超级电容器由于具有比电池更高的功率密度，比传统平板电容器更高的能量密度，被认为是下一代能源存储设备。最近几年，MXene作为二维固体材料的新成员，由于具有优异的物理和化学性能，引起了研究者们的广泛关注，其作为电极材料也显示出了优异的电化学储能性能和电子导电性。

本文亮点

1. 对传统和新颖的刻蚀方法进行了总结和比较，特别是无氟方法。对加速剥离Ti₃C₂T_x的方法进行分类。

2. 比较了不同电解质中Ti₃C₂T_x的储能机理，探讨了形貌和表面官能团对储能机理的影响。

3. 针对Ti₃C₂T_x的问题，总结并比较了从结构调节到复合结构构建的改善电容的策略。

内容简介

Ti₃C₂T_x是一种新型的二维层状材料，由于其良好的金属导电性，氧化还原反应活性表面等优点，被广泛用作超级电容器的电极材料。但是，Ti₃C₂T_x存在许多挑战有待解决，阻碍了其获得理想的比电容，例如钛的重新堆积，重新压碎和氧化。最近，许多增强Ti₃C₂T_x的电容性能策略被提出。中国石油大学(华东)曹宁副教授团队在这篇综述中，总结并比较了改善Ti₃C₂T_x超级电容器电极材料的比电容的最新策略，例如成膜，表面改性和复合方法。此外，为了理解这些机理，本综述分析了不同电解质中的储能性能及其影响因素。该综述有望预测超级电容器中Ti₃C₂T_x材料的研究方向。

图文导读

I 提高Ti₃C₂T_x电容的一般策略

图1. (a)Ti₃C₂T_x的结构;(b)N掺杂的Ti₃C₂T_x；(c)Ti₃C₂T_x/层状金属双氢氧化物；(d)Ti₃C₂T_x/导电聚合物；(e)碳插层的Ti₃C₂T_x复合纸；(f)WO₃/Ti₃C₂T_x复合纸；(g)3D Ti₃C₂T_x气凝胶。

II Ti₃C₂T_x性质

图2. Ti₃C₂T_x结构。(a)Ti₃C₂T_x的原子构型图；(b)Mxene蚀刻和剥离的工艺示意图；(c)Ti₃C₂T_x颗粒和Ti₃C₂T_x的扫描电子显微镜(SEM)图像。

III Ti₃C₂T_x电容特性

3.1 双电层电容

图3. Ti₃C₂T_x在5 mV/s的扫描速率下的电化学性能。(a)Ti₃C₂T_x表面离子嵌入机理的示意图。(b)Ti₃C₂T_x在LiCl，NaCl和KCl水溶液中在不同电势窗口下的CV曲线。

3.2 赝电容

图4. Ti₃C₂T_x在不同电解质中的赝电容。(a)H₂SO₄溶液中Ti₃C₂T_x的表面基团的变化；(b)Ti₃C₂T_x的CV曲线，扫描速率为20 mV/s；(c)不同扫描速率下Ti₃C₂T_x的质量比电容；(d)Ti₃C₂T_x在KOH电解质中不同扫描速率下的CV曲线；(e)使用Ti₃C₂T_x作为具有溶剂化或去溶剂化状态的负极的超级电容器示意图。

IV 提高容量

4.1 表面改性

4.2 成膜

图5. (a)纳米多孔Ti₃C₂T_x膜的制备示意图；(b)泡沫镍的SEM图像；(c)Ti₃C₂T_x薄膜和改性纳米多孔薄膜的CV曲线，扫描速率为10 mV/s。MP-MX_x指获得了纳米多孔Ti₃C₂T_x膜。

4.3 Ti₃C₂T_x气凝胶

图6. (a)不同放大倍数Ti₃C₂T_x气凝胶的SEM图像；(b)Ti₃C₂气凝胶的横截面图，Ti₃C₂气凝胶的SEM图像以及TEM；(c)Ti₃C₂气凝胶的CV和GCD曲线，不同质量载荷下的比电容，Ti₃C₂气凝胶堆叠电容的虚部(C”)的变化以及不同质量载荷下的面电容。

V 复合方法

5.1 导电聚合物

5.2 过渡金属氧化物

图7. (a)Ti₃C₂T_x与吡咯聚合示意图；(b)Ti₃C₂T_x/MnO₂纳米线的横截面SEM图像和TEM图像；(c)不同样品Ti₃C₂T_x/ MnO₂纳米线的CV和GCD曲线。

5.3 碳基材料

图8. Ti₃C₂T_x-rHGO纳米多孔网络。(a)SEM横截面图；(b)Ti₃C₂T_x薄膜和Ti₃C₂T_x-rHGO的CV和GCD曲线以及面质量负载对体积比电容的影响。

图9. (a)静电纺丝Ti₃C₂T_x复合材料的形貌；(b)使用双辊法制备Ti₃C₂T_x纤维的过程示意图；(c) 双辊法制备Ti₃C₂T_x纤维的表面和横截面形貌；(d)获得的CV曲线和GCD曲线。

5.4 杂原子掺杂

图10. N掺杂的Ti₃C₂T_x。(a)N掺杂的Ti₃C₂T_x在水合电解质中电荷存储示意图；(b)使用尿素作为氮源的Ti₃C₂和N掺杂的Ti₃C₂T_x的光学和SEM图像；(c)使用不同方法制备的Ti₃C₂薄膜和N掺杂的Ti₃C₂的CV曲线。

作者简介

曹宁

本文通讯作者

中国石油大学(华东)

▍主要研究领域

新型碳基功能材料；材料表面工程。

▍Email: caoning1982@gmail.com

▍个人主页:

http://mse.upc.edu.cn/2018/1202/c13591a187726/page.htm

撰稿：《纳微快报》编辑部

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