“全MXene复合膜”的提出，促进MXene在高性能柔性超级电容器中的应用

来源：材料科学前沿

MXenes作为新型的二维纳米材料，因其良好的导电性和亲水性表面等特性，已被证明是一种极具潜力的超级电容器电极材料。每种MXene的优缺点不尽相同，（例如Ti3C2具有高导电性和稳定性；V2C和Nb2C具有高电化学储存容量，但导电性相比Ti3C2较差。），另外，MXene纳米片之间也会出现团聚现象，影响了MXene的电化学性能。此前已有文献报道将MXene与碳基材料（石墨烯，碳纳米管等）复合来提高MXene的电化学性能。相比碳材料，MXene, 尤其是Ti3C2，在具有高导电性的同时，还具有亲水性表面和赝电容储能机理。因此，将具有高导电性和高电化学活性的不同MXene复合，兴许是一种有效提高MXene电化学性能的途径，并且混合悬浮液处理工艺有利于MXene基复合膜的大规模制备和应用。

近日，广西大学物理科学与工程技术学院徐帅凯领导的研究小组首次提出了全MXenes复合膜的概念，采用简单的混合悬浮液真空抽滤工艺，将少层Nb2CTx和Ti3C2Tx纳米片交替堆叠，制备了用于柔性超级电容器的柔性自支撑Ti3C2Tx/Nb2CTx复合膜。相关研究成果已发表在期刊《Journal of MaterialsChemistry A》 (Flexible freestanding all-MXene hybrid films with enhancedcapacitive performance for powering flex sensor, Journal of Materials ChemistryA, 2020, DOI: 10.1039/D0TA05710J)，文章第一作者是硕士研究生李哲敏。Fig. 1 Ti3C2Tx/Nb2CTx 复合膜的制备流程Fig. 2 Ti3C2Tx/Nb2CTx复合膜的电化学性能. (a)不同含量Ti3C2Tx的Ti3C2Tx/Nb2CTx复合膜的CV曲线，扫描速率为20 m Vs-1；(b)复合Ti3C2Tx/Nb2CTx、纯Ti3C2Tx和Nb2CTx薄膜在不同扫描速率下的电容性能；(c)30%T-N和纯Nb2CTx薄膜在2 mV s-1下的CV曲线比较；(d)不同扫描速率下30%T-N复合膜的CV曲线；(e) Nb2CTx和Ti3C2Tx/Nb2CTx复合膜的交流阻抗谱；(f)不同厚度的30%T-N 复合膜在不同扫描速率下的电化学性能。与纯Nb2CTx薄膜相比，制备的复合膜具有良好的柔韧性，并且在Ti3C2Tx纳米片引入后纳米片层间距显著增加，薄膜的导电性明显提高。当Ti3C2Tx质量占比为30%时，复合膜的电化学性能达到最佳。Ti3C2Tx/Nb2CTx薄膜在2 mV s-1的扫描速率下可具有370 F g-1的质量比电容，在200 mV s-1仍具有56.1%的电容保持率，并且拥有长久的循环寿命。另外，也对不同厚度的30% Ti3C2Tx/Nb2CTx复合膜的电化学性能进行了测试和比较。当复合膜厚度达到32 μm时，仍能有300 F g-1的高电容，当扫描速率达到100 mV s-1时也能保持63.3% 的电容量剩余。Fig.3 (a-c) Ti3C2Tx/Nb2CTx复合膜的示意图，显示Ti3C2Tx与Nb2CTx的不同层数比；(d-e) 30% T-N复合膜的电容贡献机理分析；(f)复合膜比电容的电容控制和扩散限制贡献比例；(g)30% T-N用作电极时的示意图。上述实验结果证明，将不同MXene进行复合是改善MXene基薄膜电容性能的有效途径，本工作中制备Ti3C2Tx/Nb2CTx复合膜的方法和思路也适用于其他MXenes，例如Ti2CTx和V2CTx等等。因此，我们相信本工作将会促进MXene材料在电化学储能领域中的应用。参考文献：Zhemin Li, Yohan Dall'Agnese,Jin Guo, Haifu Huang, Xianqing Liang, Shuaikai Xu*, Flexible freestandingall-MXene hybrid films with enhanced capacitive performance for powering flexsensor, Journal of Materials Chemistry A, 2020, DOI: 10.1039/D0TA05710J