高负载量电化学储钠：MXene纳米片三维气凝胶的室温组装合成

3. 制备的Ti₃C₂Tₓ基气凝胶作为自支撑电极，在12.3 mg cm⁻²的实际负载量和0.1 A g⁻¹的电流密度下仍可提供1.26 mAh cm⁻²的面积比容量。

Ti₃C₂Tₓ/RGO的合成过程如图1a所示。在研钵中将Ti₃C₂Tₓ悬浮液与GO胶体溶液(10 mg ml⁻¹)均匀混合，随后将交联剂添加到混合物中，然后连续搅拌。将抗坏血酸(VC)溶液添加到上述混合物中，促进RGO的凝胶化。紧接着，将上述浆液转移到玻璃小瓶中，在25℃静置72小时后，形成均匀的Ti₃C₂Tₓ/RGO水凝胶，经过洗涤和冷冻干燥后得到气凝胶块体。以氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)为交联剂，当其遇水后发生水解，暴露的甲硅烷基和阳离子氨基与Ti₃C₂Tₓ和GO表面的羟基通过氢键作用形成交联结构(图1b)。通过Zeta电位分析发现APTES的引入有效地降低Ti₃C₂Tₓ与GO之间的静电斥力，验证了APTES对Ti₃C₂Tₓ和GO的交联作用(图1c)。

II 不同比例、不同交联剂制备的Ti₃C₂Tₓ/RGO气凝胶

通过引入界面调节剂同时也可实现S负载Ti₃C₂Tₓ纳米片(Ti₃C₂Tₓ@S)与RGO的交联，并进一步通过煅烧处理对Ti₃C₂Tₓ的表面进行S的掺杂改性，进一步优化性能。SEM表征证实了S掺杂的MGA (SMGA)具有与MGA相同的3D互连多孔结构，通过TEM证实了Ti₃C₂Tₓ纳米片与GO的复合情况，且没有颗粒状TiO₂的存在，表明Ti₃C₂Tₓ的氧化得到有效抑制。元素分析显示Ti、C、S和Si的均匀分布(图3d、e)。其中，Si的存在证实了APTES在桥接Ti₃C₂Tₓ和RGO中的重要作用。

IV Ti₃C₂Tₓ、MGA和SMGA的材料表征

图4. (a) Ti₃C₂Tₓ、MGA、MGA@S和SMGA的XRD图谱。(b) Ti₃C₂Tₓ、MGA和SMGA的拉曼光谱。(c) Ti₃C₂Tₓ、MGA和SMGA的N₂吸附-脱附等温线。(d) Ti₃C₂Tₓ、MGA和SMGA的XPS全谱。(e) Ti₃C₂Tₓ、MGA和SMGA的Ti 2p XPS谱图。

V 用于电化学钠离子存储的自支撑SMGA和MGA电极的半电池测试

图5. (a) SMGA在100 mA g⁻¹下的恒电流充放电曲线。(b) 具有不同面密度的SMGA和MGA在100 mA g⁻¹时的负载量和面积比容量。(c) SMGA电极在0.1至3 mV s⁻¹的不同扫描速率下的CV曲线。(d) SMGA电极的峰值电流和扫描速率之间的关系。(e) SMGA和MGA在不同扫描速率下的电容贡献。(f) 钠离子半电池中SMGA和MGA的Nyquist图。(g) 具有不同质量负载的SMGA电极在0.1至5 A g⁻¹范围内的倍率性能。(h) 不同质量负载的SMGA电极在0.1 A g⁻¹电流密度下的循环性能和库仑效率。

VI SMGA钠离子混合电容器的性能表征

图6. (a) AC//SMGA混合钠离子电容器(SIC)的示意图。(b) 扫描速率为10 mV s⁻¹的钠离子半电池中的SMGA和AC的CV曲线(顶部)和不同扫描速率下的AC//SMGA SIC(底部)。(c) AC//SMGA SIC在0.5至5 A g⁻¹范围内的倍率性能。(d) AC//SMGA SIC与之前报道的SIC相比的Ragone图。(e) AC//SMGA SIC在电流密度为0.5 A g⁻¹和2 A g⁻¹下的长期循环性能和库仑效率(插图)。(f) 由AC//SMGA SIC供电的LED阵列和电子温度计的照片。