【摘 要】
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MXenes是一类新兴的二维材料,因其具有高的赝电容,金属导电性,机械强度高和可修饰的表面官能团而备受研究者青睐。由于这些突出的物理和化学性质,MXenes在能源存储领域展现出巨大的竞争力和潜力,特别是在超级电容器方面。近年来,柔性电子产品因其轻便,超薄和柔软的特性而备受消费者的喜爱,因此研究MXene电极来制备高性能柔性储能装置具有重要的意义。然而类似于别的二维材料,MXene纳米片由于片层之间
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MXenes是一类新兴的二维材料,因其具有高的赝电容,金属导电性,机械强度高和可修饰的表面官能团而备受研究者青睐。由于这些突出的物理和化学性质,MXenes在能源存储领域展现出巨大的竞争力和潜力,特别是在超级电容器方面。近年来,柔性电子产品因其轻便,超薄和柔软的特性而备受消费者的喜爱,因此研究MXene电极来制备高性能柔性储能装置具有重要的意义。然而类似于别的二维材料,MXene纳米片由于片层之间存在较强的范德华作用力在电极制备的过程中容易发生团聚和再堆积的现象,这种致密堆积的结构会减小MXene的比表面积,严重阻碍离子动力学扩散。此外,基于MXene对称型电容器受限于窄的电压窗口(<1 V)导致其能量密度并不高。因此,本课题以MXene为研究对象,通过制备复合材料、三维结构设计、开发非对称型超级电容器的方法来改善MXene电极和电容器的电化学性能,从而制备高性能柔性超级电容器。通过简单真空抽滤的方式制备了MXene/Mo O3柔性电极,引入一定量的活性物质Mo O3后,在引入了离子迁移通道的同时,没有明显改变MXene纳米片的致密堆积方式。以1mol L-1 H2SO4为电解液,Mo O3纳米带含量为20 wt%的MXene/Mo O3复合电极的体积比电容达到1817 F cm-3。将MXene/Mo O3复合电极组装成对称型超级电容器后,工作电压窗口为0.9 V,最大体积能量密度达到44.6 Wh L-1。利用PANI纳米粒子与MXene纳米片自组装成复合材料,通过刮涂NMP中分散的MXene/PANI浆料规模化制备了MXene/PANI柔性膜电极。在PANI纳米粒子含量为70 wt%情况下,MXene/PANI复合电极在-0.2~0.8V电位窗口下表现出1167 F cm-3的体积比容量,高于已报道的所有基于导电聚合物/碳材料的柔性电极。以MXene/PANI复合膜为正极,MXene膜为负极构建高体积能量密度非对称型超级电容器,电压窗口扩展到1.4 V,体积能量密度达65.6 Wh L-1。利用一维细菌纤维素与MXene纳米片混合吸附,再通过过滤冷干的方法制备3D多孔MXene/细菌纤维素(BC)复合膜电极。复合膜电极可以任意弯曲、扭转甚至折叠,拉伸强度可达MXene电极的3倍。与MXene致密堆积的柔性电极相比,稳定的3D多孔结构为MXene/BC电极提供了丰富的孔道,有利于电解质离子的快速传递。MXene负载量为5 mg cm-2时,MXene/BC复合电极面积比容量达到2084 m F cm-2,10000次充放电循环后,电极的容量保持率为96.5%。以MXene/BC膜为负极,PANI/BC膜为正极组装非对称型超级电容器,电压窗口为1.4 V,最大能量密度达到252μWh cm-2,从而说明三维构型的MXene/BC电极能够有效提升电极活性物质负载量和电容器的面积能量密度。采用MXene分散液涂敷在PEI修饰的NCFT织物规模化制备了MXene/NCFT负极,MXene覆盖在NCFT纤维表面上,该电极中纤维网络构成了3D多孔结构。MXene/NCFT电极面积比电容可达1337 m F cm-2,当扫速从10 m V s-1增加到100 m V s-1时,容量保持率达到66%,比电容和倍率性能均优于相同MXene负载量下的MXene/BC电极。用化学氧化NCFT织物规模化制备具有3D多孔结构的ONCFT作为柔性正极,纤维表面形成了一层含有丰富含氧官能团的氧化碳层。该电极面积比电容可达1280 m F cm-2,倍率性能优异。组装的MXene/NCFT//ONCFT准固态非对称型超级电容器电压窗口达到1.6 V,面积能量密度达到277.3μWh cm-2,30000次充放电后容量保持率达到90%,表明采用导电织物制备的柔性电容器可获得高的面积能量密度和循环性能。实验结果表明我们采用的方法策略可以明显提高MXene柔性电极及MXene电容器电化学性能,能够推动基于MXene柔性电容器的发展和实际应用,为制备高性能柔性电极及电容器提供更多借鉴作用。
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