【摘 要】
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高性能的电极材料是储能领域超级电容器发展的关键。过渡金属碳化物MXene具有独特的二维结构,因其表现出的优异的电导率、丰富的表面官能团和优异的电化学性能,成为超级电容器电极材料的新热点。Ti3C2TX自2011年被创造以来是被研究的最广泛的MXene,然而,开发设计综合性能良好的Ti3C2TX独立薄膜电极仍是研究人员亟需解决的问题。本文采用HCl和Li F原位生成HF刻蚀Ti3Al C2制备Ti3
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高性能的电极材料是储能领域超级电容器发展的关键。过渡金属碳化物MXene具有独特的二维结构,因其表现出的优异的电导率、丰富的表面官能团和优异的电化学性能,成为超级电容器电极材料的新热点。Ti3C2TX自2011年被创造以来是被研究的最广泛的MXene,然而,开发设计综合性能良好的Ti3C2TX独立薄膜电极仍是研究人员亟需解决的问题。本文采用HCl和Li F原位生成HF刻蚀Ti3Al C2制备Ti3C2TX MXene。然后利用质子酸HCl处理Ti3C2TX,除去表层的Li+。再引入单壁碳纳米管(SWCNTs)作为片层间的间隔,以防止Ti3C2TX片层的重新堆积,制备了Ti3C2TX和SWCNTs复合膜。利用SEM技术对薄膜的横截面进行了表征,用XRD表征了样品的结构,并使用不同的电化学技术对复合膜进行了测试和分析。结果表明,经质子酸处理后Ti3C2TX分散液抽滤形成的薄膜更致密电导率更高,酸处理至p H=1时,薄膜的电导率达到608700 S/m,相当于原始Ti3C2TX薄膜3.2倍。将质子酸处理后的Ti3C2TX分散液与SWCNTs分散液混合制备出的复合薄膜展现了良好的机械性能。拉伸试验表明,酸处理Ti3C2TX至p H=1后与SWCNTs混合,制备的复合薄膜的拉伸强度可达50.3 MPa,是原始Ti3C2TX膜的2.3倍。同时SWCNTs的加入防止了Ti3C2TX片层的二次堆叠,有效提升了复合薄膜的比电容。在1M H2SO4电解质中采用5m V/s的CV循环测试,测得复合薄膜的质量比电容达到270.5 F/g。在100 m V/s的高扫描速率下进行5000次CV循环后,复合薄膜的电容仍保持原本的97.6%,证明其具有良好的循环稳定性。通过顺序桥接的方法提高复合薄膜的机械性能。在Ti3C2TX分散液中加入海藻酸钠(SA),通过真空抽滤制备成膜,然后将薄膜浸泡在Ca Cl2溶液中,在Ti3C2TX片层间引入Ca2+离子,构成离子键,使Ti3C2TX纳米片高度整齐排列,提高机械性能。实验结果表明,当在Ti3C2TX中加入20%的SA后,浸泡在浓度为8 mg/m L的Ca Cl2溶液中,制备出的复合薄膜机械性能最好,拉伸强度达到121.4 MPa,为原始Ti3C2TX薄膜的6倍。电化学测试也展现了复合薄膜良好的超电性能。复合薄膜增大的层间距,促进了离子和电子的快速传输。在5 m V/s的扫描速率下,复合薄膜的质量比电容达到173.9 F/g。优异的机械性能和电化学性能为其作为独立的超级电容器电极材料提供了保证。
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