MXene基柔性自支撑电极的制备及其超级电容器性能研究

来源 :石河子大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:peng7330
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超级电容器作为高功率、长寿命的一种电化学储能设备,为人们的生产生活带来了很多便利。为了满足人们对便携式电子的需求,柔性超级电容器逐渐崭露头角。为了制备高性能柔性超级电容器,开发高性能的柔性自支撑电极尤为重要。新型2D材料MXene,因其高的导电性、优异的柔性和赝电容性,在柔性自支撑超级电容器电极中被广泛研究。但是,由于氢键和范德华力相互作用,MXene纳米片在制备自支撑膜电极的过程中发生紧密堆叠,导致比表面积减小和较低的实际容量。另外,少层MXene纳米片通常具有差的化学稳定性,其纳米片边缘暴露的金属原子容易与氧气和水反应形成相应的金属氧化物或化学降解。在加热条件下MXene氧化情况更严重,导致活性急剧下降,从而失去良好的物理化学性质。本论文选用T3C2Tx这种MXene为研究对象,从结构、组分和抗氧化角度对其进行设计,具体如下:(1)先用碱预处理T3C2Tx纳米片,减少表面无电容贡献的-F官能团,选用生物链状高分子海藻酸钠(SA)作为插层试剂。SA可通过氢键作用柱撑在T3C2Tx片层间,但是SA优异的水溶性导致其在抽滤制膜过程中容易流失。借助SA与Ca2+间的强螯合能力,将SA分子交联成更大的分子网络水凝胶,破坏SA的水溶性。同时,Ca2+可作为网状SA分子与T3C2Tx间的桥连剂,使SA分子牢牢地嵌入T3C2Tx层间形成T3C2Tx-Ca-SA结构单元。这些结构单元再通过自组装,最终形成T3C2Tx层间距增大的3D交联T3C2Tx-Ca-SA柔性自支撑膜。T3C2Tx-Ca-SA柔性自支撑电极在3M H2SO4电解质中,面积比容量达594 m F cm-2,组装的对称固态赝电容器具有优异的柔性和较高的能量密度。(2)为了进一步提升T3C2Tx的电容性能,通过简单的酸诱导静电自组装制备3D多孔异质结构Ti3C2Tx/WO3·H2O-AA全赝电容柔性自支撑膜。T3C2Tx纳米片紧紧地包覆在WO3·H2O纳米板表面,WO3·H2O被牢牢地禁锢在3D的T3C2Tx导电网络中。Ti3C2Tx/WO3·H2O-AA(WO3·H2O=30wt%)柔性自支撑电极在1M H2SO4中,面积容量可达679 m F cm-2。Ti3C2Tx/WO3·H2O-AA(WO3·H2O=30wt%)电极组装的对称固态全赝电容超级电容器具备优异的柔性电容,其弯折180°,在20 m V s-1时,循环300次后容量仍能保持87%。(3)为了克服T3C2Tx易氧化的缺点,同时在T3C2Tx中引入更多的氧化还原活性位点,提出一种简单的抗氧化法,并原位衍生出T3C2Tx量子点(MQDs)。在T3C2Tx溶液中加入柠檬酸(CA),借助CA本身的还原性以及与T3C2Tx的相互作用,从而实现T3C2Tx表面及边缘钝化,保护T3C2Tx不被氧化。CA与边缘Ti原子的强相互作用促使C-Ti断裂,从而使得2D T3C2Tx纳米片原位衍生出0D MQDs。由于MQDs表面具有丰富的C-Ti-Ox活性位点,制备的T3C2Tx/MQDs柔性自支撑电极在1M H2SO4中面积容量高达1661 m F cm-2,组装的柔性对称固态赝电容器在10000次充放电后,容量仍能保持84%,表现出优异的循环稳定性。
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