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MXene基复合电极材料的制备及电化学性能研究

MXene基复合电极材料的制备及电化学性能研究

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作者：陈安利天津科技大学

学位级别：硕士

超级电容器（SCs）作为一种新型的储能器件,具有快速的充放电速率、高的功率密度和长的循环寿命等优势,因而近年来备受关注。但是SCs存在能量密度低等缺陷,而电极材料是决定SCs性能的关键因素,因此开发具有优异电化学储能性能的电极材料... 详细信息

超级电容器（SCs）作为一种新型的储能器件,具有快速的充放电速率、高的功率密度和长的循环寿命等优势,因而近年来备受关注。但是SCs存在能量密度低等缺陷,而电极材料是决定SCs性能的关键因素,因此开发具有优异电化学储能性能的电极材料,成为当前研究的重点。MXene作为新型的二维层状材料,显示出良好的亲水性、较高的理论比电容和优异的导电性等优点,因而在超级电容器的电极材料应用领域得到了广泛的研究。然而,MXene由于层间范德华力的作用,易发生片层间的堆垛,从而阻碍了离子的传输,降低了其电化学性能。针对此问题,本文通过对插层的创新设计,制备得到了具有优异电化学性能的MXene基复合电极。论文的主要内容如下:（1）首先将聚多巴胺（PDA）纳米球通过真空抽滤插入到MXene片层间,再经过高温退火制备了自支撑氮掺杂碳/MXene复合薄膜电极（MC）。PDA纳米球作为间隔物、碳源和氮源,同时也赋予了复合膜多孔网络结构。氮掺杂可以提高导电性能并引入额外的赝电容,而多孔网络结构提高离子传输速率以及对压力的敏感性。当组装成对称的超级电容器时,器件的能量密度可达到23.2μWh·cm,功率密度为317.7μW·cm。组装的全固态锌离子混合超级电容器的能量密度可达61.24μWh·cm,功率密度为352.76μW·cm。基于MC的可穿戴传感器在0-2 k Pa的压力范围下具有0.21 k Pa的高灵敏度和超过2000次循环的优异耐用性。这种多功能MC复合薄膜在储能器件和可穿戴电子设备方面具有广阔的应用前景。（2）为进一步提升MXene复合材料的电容性以硝酸锌和六次甲基四胺（HMT）合成了二维MOF片层材料,继而与MXene通过静电自组装和退火的方式制备了富氮碳纳米片/MXene复合电极材料。富氮碳纳米片可以有效阻碍MXene堆叠,且明显的提高了导电性和电容性。该复合材料在1 A·g条件下,比容量为418.41 F·g;而在50 A·g高电流密度下,其比容量仍保持在400.66 F·g。基于该电极组装的对称超级电容器的质量比电容可以达到313.25 F·g,组装的锌离子混合超级电容器的容量为84.85 m Ah·g,并表现出优异的倍率性能和循环稳定性。

关键词： MXene 插层氮掺杂碳富氮纳米片超级电容器锌离子混合超级电容器

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