【摘 要】
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MXene是一类新兴的2D过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物材料的总称。在众多MXene材料中Ti3C2材料应用范围最广。Ti3C2材料因具有较高的导电性、良好的柔性和优异的亲水性而被广泛应用于储能领域。但Ti3C2纳米片的紧密自堆叠限制了电解质离子的丰富可及性,从而限制了能量存储能力的进一步提高。同时Ti3C2易于氧化的性质导致其纳米结构和功能特性的丧失限制了这类材料的应用。针对Ti3C2现存的缺
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MXene是一类新兴的2D过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物材料的总称。在众多MXene材料中Ti3C2材料应用范围最广。Ti3C2材料因具有较高的导电性、良好的柔性和优异的亲水性而被广泛应用于储能领域。但Ti3C2纳米片的紧密自堆叠限制了电解质离子的丰富可及性,从而限制了能量存储能力的进一步提高。同时Ti3C2易于氧化的性质导致其纳米结构和功能特性的丧失限制了这类材料的应用。针对Ti3C2现存的缺点,在本论文中我们设计合成了超高存储容量、较高倍率性能和较好循环耐久性的基于Ti3C2纳米片的柔性薄膜,并研究了其在超级电容器中的应用,具体研究内容如下:1、MPFs/Ti3C2复合电极的制备及应用研究针对Ti3C2纳米片易自堆叠问题,我们设计合成了层间氢键键合Ti3C2/MPFs(金属卟啉框架)复合膜。在该体系中,我们利用Ti3C2表面上的末端基团(-O、-OH和-F)与MPFs纳米片羧基基团(-COOH)之间的氢键作用,采用真空辅助抽滤的方法得到Ti3C2/MPFs复合膜。Ti3C2和MPFs的协同效应有效防止了Ti3C2和MPFs的自堆叠,并提供了具有多孔结构的3D互连“MPFs-to-Ti3C2-to-MPFs”导电网络,从而促进了离子和电子的快速传输以及缩短了传输路径。Ti3C2/MPFs杂化膜中的层间氢键可以缓解由于快速充电/放电过程中的相分离和结构塌陷而引起的体积变化,并有助于持久的速率能力和可循环性,甚至在弯曲和折叠下保持良好的电极结构完整性。2、超大尺寸Ti3C2纳米片的制备及储能研究针对Ti3C2易氧化问题,我们设计合成了超大尺寸抗氧化褶皱Ti3C2纳米片。在该体系中,我们添加九水合硫化钠(Na2S·9H2O)并采用溶剂热法制备超大尺寸褶皱Ti3C2纳米片。实验证明,Na2S·9H2O加入所形成的碱性溶液能够有效抑制Ti3C2的氧化,即使在高温下长时间反应后,Ti3C2纳米片也不会发生氧化。同时通过真空辅助抽滤的方法制备3D多孔结构的MXene柔性薄膜电极。蜂窝状的3D孔状结构利于电解质离子的存储和快速地离子传输,并缩短了离子传输路径,可更有效的进行离子扩散。同时3D的多孔网络状层间结构增大了比表面积,利于薄膜电极电化学性能的提高。
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