二维Ti3C2TxMXene表面改性及其在超级电容器中的应用

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超级电容器具有快速充放电、操作安全、循环寿命长和功率密度高等特点,可被广泛应用于电子、移动设备、工程机械、交通工具的辅助能源等诸多领域。二维纳米材料在超级电容器领域拥有巨大的应用潜能。MXenes作为一种新型二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物纳米材料,具有优异的物理化学性质,有望成为一种高性能的超级电容器电极材料。为了进一步提升其超级电容器性能,并解决其在电极制备过程中易于堆叠的关键问题,本论文以Ti3C2TxMXene材料为主要研究对象,开展了以下研究工作:
  (1 )选用聚苯胺(PANI )与Ti3C2Tx复合,采用原位聚合法制备了Ti3C2Tx/PANI新型复合材料。研究发现,由于PANI生长在Ti3C2Tx表面以及片与片之间,可有效抑制Ti3C2Tx片层的堆叠。此外PANI的加入可有效提升Ti3C2Tx的电导率、层间距和比表面积。通过采用三电极体系在1MH2SO4电解液中进行电化学测试的结果表明,在电流密度为1Ag?1的条件下,所得Ti3C2Tx/PANI复合物的质量容量可达到333Fg?1。同时,Ti3C2Tx/PANI也展现出良好的倍率性能,在3000次循环后,其容量保持率仍可达96.8%。
  (2)在酸性条件下,采用弱氧化剂过硫酸铵对Ti3C2Tx实现可控氧化和表面改性,提升其超级电容器性能。研究发现,通过调节过硫酸铵的添加比例,可实现Ti3C2TxMXene表面部分?F官能团转变为?O官能团。系统的性能测试结果表明,部分氧化的Ti3C2Tx(0.5g过硫酸铵/50ml4mgmL?1Ti3C2Tx)具有最优异的电化学性能,在2mVs?1扫速下的质量容量可达303Fg?1,且在9000次循环后仍可维持96.6%的容量。
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