【研究背景】

在可持續(xù)能源系統(tǒng)中，超級電容器代表了針對不平衡電力需求的高效儲能設備。根據(jù)不同的電荷存儲機制，超級電容器可分為電化學雙層電容器（EDLC）和贗電容器。在EDLC中，電化學雙層形成在電極表面上，并且離子和電極之間的極化溶劑充當介電介質。贗電容器則是通過插層或電吸附以及通過氧化還原反應的法拉第電荷轉移來儲存能量，其中插層贗電容的理論電容可達極高，因此更具吸引力。為了實現(xiàn)高電容，一些早期的嘗試集中在插層贗電容材料，Nb2O5, V2O5, MoS2和VS2上，這些材料表現(xiàn)出開放的分層結構，可實現(xiàn)離子在活性材料中的快速遷移和容納。然而，大多數(shù)贗容性氧化物或硫化物的電導率有限，導致電化學性能不佳。因此，在電網(wǎng)等大規(guī)模應用中，迫切需要新型的高電導性插層電極材料。

【成果簡介】

最近，中國科學院Xiaohui Wang教授和天津大學Quan-Hong Yang教授課題組合作在國際知名學術期刊Nanoscale上發(fā)表一篇題目為：Interlayer engineering of?Ti3C2Tx?MXene towards high capacitance supercapacitors?的研究論文，該研究展示了層間工程如何幫助接近極限。層間工程設計可創(chuàng)建一個寬闊而均勻的層間間距，從而為快速離子擴散提供一條“高速公路”，并在這樣的“高速公路”上提供“卡車”(氧化還原活性位點)來加速電荷轉移，使高電容成為可能。根據(jù)這一概念，通過在氨氣中退火制得的Ti3C2TxMXene，其電容得到了很大的改善，并具有出色的倍率性能和循環(huán)性能。經(jīng)過精心設計的MXene的整體性能優(yōu)于所有其他贗電容電極。

【圖文導讀】

圖1.用于實現(xiàn)高電容的Ti3C2Tx?MXene的中間層工程示意圖。

圖2.?經(jīng)過不同種處理后，Ti3C2TxMXenes的結構表征（a）Ti3C2TxMXene的XRD圖譜。分別在HF和HCl / LiF溶液中蝕刻MAX相來制備Ti3C2Tx?-HF和Ti3C2Tx-（HCl/LiF）；Ti3C2Tx-（HCl/LiF）-400通過在氨氣氛中400°C下加熱Ti3C2Tx-（HCl/LiF）來獲得。Ti3C2Tx-HF-KOH和Ti3C2Tx-HF-CaCl2分別在KOH和CaCl2溶液中處理（b，c）沿[1120]區(qū)域軸的（b）Ti3C2Tx-（HCl/LiF）和（c）Ti3C2Tx-（HCl/LiF）-400的HAADF圖像。

圖3.用不同制備方法制備的Ti3C2Tx電極在1 mol L-1?H2SO4電解質中的電容性能。(a)在20 mV s-1的掃描速率下的CV曲線，以及（b）在不同掃描速率下的質量電容。在不同掃描速率下，Ti3C2Tx?-（HCl/LiF）-400的電容明顯大于其他電極的電容（c）Ti3C2Tx-（HCl/LiF）-400在2至100 mV s-1的掃描速率下的CV曲線 （d）在恒電流循環(huán)10 A g-1下的Ti3C2Tx?-（HCl/LiF）-400電極的電容保持率，內圖恒電流循環(huán)曲線。

圖4.?Ti3C2Tx?-（HCl/LiF）和Ti3C2Tx-（HCl/LiF）-400電極的原位EIS圖譜 （a）Ti3C2Tx?-（HCl/LiF）-400和（b）Ti3C2Tx-（HCl/LiF）電極的CV曲線。內圖氫離子嵌入MXene層的示意圖。（c，d）在（c）Ti3C2Tx?-（HCl/LiF）-400和（d）Ti3C2Tx-（HCl/LiF）電極的插層（紅色填充球）分支上在不同電壓下vs.Ag/AgCl的EIS數(shù)據(jù)（奈奎斯特圖）。

圖5.?Ti3C2Tx?-（HCl/LiF）-400和Ti3C2Tx?-HF-KOH的化學組成和形態(tài)表征。兩種樣品的（a）Ti 2p XPS光譜，（b）N 1sXPS光譜，（c）O 1s XPS光譜 （d）拉曼光譜和拉曼譜帶的選定洛倫茲擬合 ?（e）Ti3C2Tx-（HCl/LiF）-400的化學成分示意圖。

【本文總結】

我們以Ti3C2Tx?MXene為例，提出了層間工程的概念，以實現(xiàn)高電容。以這樣一種方式設計，即同時創(chuàng)造一個開放而均勻的層間距，并在層間合并電負性較低的雜原子，使高電容成為可能。拓寬而均勻的層間間距為其中的快速離子擴散提供了“公路”，并使更活躍的Ti3C2Tx骨架的表面更易于進入電解質;同時在中間層之間摻入具有較低電負性的雜原子可在“高速公路”上提供更多的“卡車”-氧化還原活性位點，以進行電荷轉移。高速公路上更多的卡車導致高電容率。由于遵循了層間工程的概念，在氨氣氛中退火，570 F g-1的電容超過了報道過的電極材料的電容。本文所驗證的可行夾層工程為設計具有增強電容的基于MXene的電極材料提供了指導，該原則同時可用于其他二維層狀材料。

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