作為一種新興的二維(2D)材料，MXenes在超級電容器等電化學儲能系統(tǒng)中引起了人們極大的興趣。然而，當二維MXene薄片在自組裝為電極時，本質上傾向于平躺在襯底上，導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、多尺度結構調(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)有序的宏觀結構，其中充滿了足夠的電解質和H
+插層微結構，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，促進了電解液的滲透和電解液與電極之間的物質交換。此外，該策略還可以擴展到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)紀錄的高能量密度（0.38 mW cm
-2下高達0.1 mWh cm
-2）。
Figure 1.多尺度結構工程策略(MSE)結合單向冷凍和在H
2SO
4中解凍來制備MXene水凝膠超級電容器電極的示意圖。
Figure 2. （a）Ti
3C
2T
x 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）H
2SO
4解凍MXene水凝膠、H
2SO
4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、H
2SO
4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）基于多尺度結構工程策略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力和粘度）。（d）MXene油墨的振蕩測量值(1 Hz)，應變從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。
相關研究成果由東華大學 Peiyi Wu課題組和復旦大學 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 。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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