MXene@CoAlLDH超高電容

2021-02-12 MXene Frontier

【研究背景】

由帶正電的金屬氫氧化物主體層和電荷補償性陰離子組成的層狀雙氫氧化物（LDH）具有高度可調諧的化學組成和結構，因其優異的法拉第氧化還原活性，低成本和環境友好性而作為潛在的超級電容器電極材料而廣泛關注。但是，由於LDH本身具有較差的電導率，有限的暴露活性表面積和不可逆的面對面堆積，因此它們的實際比容量仍遠遠低於其理論值。近年來，人們引入了各種導電襯底，例如石墨烯，CNT和MXene，以增強LDH的電導率。MXenes（在材料科學領域迅速崛起的新星，是最近出現的2D過渡金屬碳化物和氮化物的總稱）在儲能應用（例如超級電容器，鋰離子和鋰硫電池）中引起了迅速的關注。MXene具有出色的結構和物理特性，例如出色的導電性，高密度，豐富的表面化學特性和強大的親水性，使其成為沉積LDH納米片以改善電化學性能的理想替代材料。

 

【成果簡介】

最近，哈爾濱工程大學Qian Wang教授和Jun Yan教授合作在國際知名學術期刊Journal of Energy Chemistry上發表一篇題目為：Electrostatic self-assembly of MXene and edge-rich CoAl layered double hydroxide on molecular-scale with super high volumetric performances的研究論文，該研究在分子尺度上通過單層MXene和富邊緣的CoAl-LDH納米薄片靜電有序組裝製備了MXene/CoAl-LDH的異質結構。得益於MXene和CoAl-LDH納米片之間的獨特結構，強烈的界面相互作用和協同效應，電導率和暴露的電解質可及活性位點從而得到了顯著增強。

【圖文導讀】


圖1.（a）MXene / CoAl-LDH異質結構的製備示意圖（b-e）單層CoAl-LDH和MXene納米片的AFM顯微照片 （f）CoAl-LDH和MXene膠體懸浮液的Zeta電位（g）CoAl-LDH（左），MXene（中）膠體懸浮液和ML-80（右）的數碼照片，前兩個樣品在雷射下顯示出明顯丁達爾散射效應。

圖2.分層的CoAl-LDH（a）和MXene（b，c）納米片的TEM圖像。ML-80的橫截面SEM（d）和TEM（e，g，h）圖像 （f）MXene和ML-80獨立膜的XRD圖像

圖3. ML-80獨立膜的XPS測量圖譜

圖4. ML-80電極的電化學性能

圖5. ML-80 // MG-5不對稱超級電容器的電化學性能

 

【本文總結】

本文通過一種簡單，低成本的靜電有序自組裝方式在分子尺度製備了新穎的MXene / CoAl-LDH夾層異質結構薄膜。通過利用MXene和CoAl-LDH納米片之間的協同效應，電導率和電解質離子可及表面積以及暴露的電活性位點數量大大增加。由於MXene和CoAl-LDH之間的獨特結構和強大的界面相互作用，ML-80電極表現出出色的電化學性能。ML-80電極顯示出2472 C cm-3的出色體積容量，在水性電解質中先前報導的電極材料中最高的。更重要的是，我們製備的ML-80 // MG-5 ASC器件可提供30.9 Wh kg-1的能量密度，相當於85.4 Wh L-1的體積能量密度，可以與之前報導的ASC設備的能量密度相比甚至超越。此外，ASC器件在30,000次循環後顯示出94.4％的優異的循環穩定性。本文介紹的在分子尺度上製備異質結構為未來基於2D材料的新型複合材料在儲能應用方向上鋪平了道路。

 

文獻連結：

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.10.023

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