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双向有序Ti_(3)C_(2)T_(x)/rGO复合气凝胶的制备及其电化学性能的研究

人工晶体学报 2022年第7期51卷 1241-1247页

作者：李佩漩郭凤梅张迎九郑州大学物理学院郑州450052

近年来,二维材料MXene因其优异的电化学性能引起了人们的关注,被广泛应用于电化学储能领域。然而,在组装电极过程中,MXene纳米片往往会产生严重的自堆积效应从而大幅限制了其电化学性能。设计三维结构的气凝胶是解决MXene自堆积问题同... 详细信息

近年来,二维材料MXene因其优异的电化学性能引起了人们的关注,被广泛应用于电化学储能领域。然而,在组装电极过程中,MXene纳米片往往会产生严重的自堆积效应从而大幅限制了其电化学性能。设计三维结构的气凝胶是解决MXene自堆积问题同时开发高性能MXene基超级电容器电极材料的关键。本文利用氧化石墨烯(GO)改善了Ti_(3)C_(2)T_(x)气凝胶的力学强度,并通过双向冷铸和冷冻干燥、温和还原的方法制备了具有双向有序结构的Ti_(3)C_(2)T_(x)/rGO复合气凝胶(A-TGA)。A-TGA具有较好的力学性能和导电性,因此可直接作为超级电容器的电极材料。同时,双向有序的独特结构为电解质离子提供了无阻碍的传输通道,大幅提升了气凝胶的电化学性能。A-TGA在电流密度为1 A·g^(-1)时的比电容为370 F·g^(-1),在100 mV·s^(-1)扫速下经过5000次循环后,电容保持率高达94%,表现出优异的循环稳定性。

关键词：碳化钛还原氧化石墨烯双向有序结构超级电容器电极材料气凝胶三维结构

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双向有序MXene复合气凝胶的制备及电化学性能研究

双向有序MXene复合气凝胶的制备及电化学性能研究

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作者：李佩旋郑州大学

学位级别：硕士

超级电容器(Supercapacitors,SCs)具有功率密度高、充放电速度快、循环稳定性好的特点,是将化学能转化为电能进行储能的理想选择。但是由于SCs的能量密度较低,无法满足日益增长的能源消费需求,因此开发具有高能量密度、高功率密度和使... 详细信息

超级电容器(Supercapacitors,SCs)具有功率密度高、充放电速度快、循环稳定性好的特点,是将化学能转化为电能进行储能的理想选择。但是由于SCs的能量密度较低,无法满足日益增长的能源消费需求,因此开发具有高能量密度、高功率密度和使用寿命长的新型电极材料已成为世界各地科研人员的关注热点。提高SCs的能量密度的关键在于设计具有大比表面积、高电化学活性和离子传输通道通畅的新型电极材料。过渡金属碳化物/氮化物(Transition metal carbides/nitrides,MXenes)是一种典型的二维材料,由于其具有良好的导电性、亲水性以及较高的体积比容量,有望作为一种理想的电极材料应用于SCs中。气凝胶具有低密度、高孔隙率和高比表面积等特点,在储能领域展现出极大的应用潜力。然而,MXene纳米片构筑的三维气凝胶的机械性能往往较差,可以通过添加石墨烯这类机械增强型材料来达到提升气凝胶机械性能的作用。在这里,我们基于原位生成氢氟酸刻蚀法制备的少层MXene纳米片,通过双向冷冻法和冷冻干燥法组装MXene纳米片和氧化石墨烯(Graphene oxide,GO),在氢氩气氛下温和退火,合成最终产物为双向有序的MXene/还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,r GO)复合气凝胶(bidirectionally aligned MXene/r GO hybrid aerogel,A-MGA)。在MXene赝电容储能机制和r GO双电层储能机制的作用下,结合三维MXene/r GO复合气凝胶的双向有序结构,A-MGA可以获得较高的电化学性能。尽管石墨烯有助于提升复合气凝胶的机械性能,但其较低的比容量和导电性,对复合气凝胶的电化学性能提升有限。因此,我们通过提高MXene前驱液浓度改善气凝胶的机械性能,同时引入MXene微凝胶抑制MXene纳米片在电极制备过程中的重堆叠现象。采用简单的双向冷冻和冷冻干燥法将MXene纳米片和MXene微凝胶组装成具有双向有序结构的MXene复合气凝胶(bidirectionally aligned MXene hybrid aerogel,A-MHA)并用于SCs的电极材料。具有双向有序结构和适量微凝胶的A-MHA的比表面积较大,在充放电中能提供更多的无阻碍电解液传输通道,暴露出更多的活性位点。在电极材料两端施加电流密度为1 A g时,A-MHA表现出高达760 F g的质量比电容。在100 m V s的扫描速率下循环了10 000次后,电容保持率为97%。本工作为优化MXene基电极材料的结构和组分提供了一种新策略。

关键词：二维过渡金属碳/氮化物双向有序结构气凝胶超级电容器

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