中大新聞網(wǎng)訊（通訊員衣芳）超級(jí)電容器由于具有充放電速率快、循環(huán)穩(wěn)定性高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前最常見(jiàn)電化學(xué)儲(chǔ)能器件之一。Ti3C2Tx MXene由于擁有金屬級(jí)的導(dǎo)電性、豐富的表面官能團(tuán)、大的比表面、良好親水性等特點(diǎn)而成為目前極具潛力的一種超級(jí)電容器電極材料。然而，MXene二維片層團(tuán)聚，表面活性官能團(tuán)有限，容易被氧化等問(wèn)題成為制約當(dāng)前Ti3C2Tx基超級(jí)電容器發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。
中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院衣芳教授課題組圍繞解決這三個(gè)問(wèn)題和獲得高性能Ti3C2Tx MXene基超級(jí)電容器電極材料、器件及應(yīng)用開(kāi)展了系列研究。在課題組前期工作所開(kāi)發(fā)的一種節(jié)能集成策略制備得到同時(shí)具有高電容，高倍率以及高循環(huán)穩(wěn)定性的Ti3C2Tx MXene超級(jí)電容器電極（ACS Nano, 2022, 16, 9713?9727）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)Ti3C2Tx電極材料特性，首次利用氧化還原電位在Ti3C2Tx的穩(wěn)定電勢(shì)窗口內(nèi)引入氧化還原添加劑來(lái)提高Ti3C2Tx基超級(jí)電容器電極及器件的電化學(xué)性能。
圖1. 氧化還原電解質(zhì)策略設(shè)計(jì)及其電極工程優(yōu)化輔助
圖2. 氧化還原添加劑和Ti3C2Tx MXene相互作用機(jī)理
優(yōu)化的MXene/CPAQ電極在所設(shè)計(jì)的氧化還原電解質(zhì)中，在2 mV s-1的掃描速率下測(cè)得788.4 F g-1的比電容，該電容值高于目前文獻(xiàn)報(bào)道純MXene和MXene/碳的超級(jí)電容器電極的電容，同時(shí)電極還具有良好的倍率性能和遠(yuǎn)高于純MXene電極的循環(huán)穩(wěn)定性。篩選發(fā)現(xiàn)CrCl2、CoSO4、CuCl2、VCl3和SnSO4不適合作為MXene/CPAQ電極的氧化還原添加劑，而CuSO4和VOSO4可以作為MXene/CPAQ電極的有效的氧化還原添加劑。CuSO4/VOSO4的復(fù)合電解質(zhì)添加劑具有協(xié)同效應(yīng)，對(duì)MXene/CPAQ電極電容的提升效果相比單一氧化還原添加劑有更好的綜合電化學(xué)性能，并且隨著氧化還原添加劑濃度的增加，MXene/CPAQ電極的電容增加（掃描速率≤200 mV s-1）。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論模擬分析結(jié)果表明銅離子和釩離子能與MXene表面的活性=O結(jié)合，分別主要以Cu2+/Cu+和V3+/V2+的形式進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。利用節(jié)能集成策略?xún)?yōu)化后的MXene/CPAQ電極能夠增加具有氧化還原活性的=O官能團(tuán)、增大層間距、增大比表面積和提高孔體積等進(jìn)而大大促進(jìn)氧化還原電解質(zhì)對(duì)電極電化學(xué)性能的提升。通過(guò)應(yīng)用該策略，所制備的超級(jí)電容器在376.0 W kg?1的功率密度下獲得了高達(dá)80.9 Wh kg?1的能量密度，并且顯著改善了器件的自放電行為。此外，所設(shè)計(jì)的氧化還原添加劑在不同凝膠電解質(zhì)（PVA/H2SO4、gelatin/H2SO4和PAM/H2SO4）中對(duì)MXene/CPAQ電極的電容也都有所提升，并且在PVA氧化還原凝膠電解質(zhì)中具有較好的倍率性能。隨著在氧化還原凝膠電解質(zhì)中聚合物質(zhì)量含量的增加，MXene/CPAQ電極電容呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，其中PAM減小的趨勢(shì)更加明顯，可能主要與其具有更大的粘度有關(guān)。使用氧化還原凝膠電解質(zhì)也可以明顯抑制柔性超級(jí)電容器的自放電行為。
相關(guān)成果以“Designed Redox-Electrolyte Strategy Boosted with Electrode Engineering for High-Performance Ti3C2Tx MXene-Based Supercapacitors”為題發(fā)表于期刊Advanced Energy Materials，第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生馬睿，通訊作者為衣芳教授；中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一完成單位。該研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金大力支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202301219
