表面官能团与层间水分子共同决定Ti3C2Tx迈科烯（MXene）的电化学电容量

迈科烯是一种新型的过渡金属碳/氮化物二维晶体，具有和石墨烯类似的片层结构，化学式为M_{n+ 1}X_nT_x，其中n = 1、2、3，M为前过渡金属元素，X为碳或氮元素，T为表面携带的OH、O或F等官能团。以Ti₃C₂T_x为代表的迈科烯具有优异的力学、电学、磁学等性能，在电化学电容器方面表现尤为突出，其体积比容量已超过公认的具有超高电容量的RuO₂，并且倍率性能优良。Ti₃C₂T_x是一种赝电容材料，但其本身的结构特点与电化学电容性能的相关性尚不清楚。

最近，中国科学院金属研究所的王晓辉研究员（点击查看介绍）课题组在迈科烯（MXene）的结构特点与电化学电容性能的相关性研究方面取得了进展。他们利用自行搭建的原位电化学拉曼表征平台，结合X射线光电子谱以及¹H低场核磁共振谱等多种分析手段，阐明了影响迈科烯电化学性能的因素。

具体来说，该工作首先利用Ti₃C₂T_x迈科烯的表面结构依赖于其制备方法这一特点，构筑了具有不同表面结构的Ti₃C₂T_x迈科烯，即用不同浓度的氢氟酸（6 mol/L、15 mol/L）来刻蚀其前驱体Ti₃AlC₂，分别标记为Ti₃C₂T_x–6M和Ti₃C₂T_x–15M。其电化学电容性能分析如图1所示，Ti₃C₂T_x–6M的循环伏安曲线（CV）更方正，表明氧化还原反应可逆性更高，其电容量比Ti₃C₂T_x–15M高192 F/g。

图1. Ti₃C₂T_x–6M和Ti₃C₂T_x–15M电极在H₂SO₄电解液中的电容性能。（a）CV曲线；（b）在2 mV/s至100 mV/s扫描速率测试条件下的倍率性能。

为了研究Ti₃C₂T_x迈科烯结构与电容量的关系，作者利用自行设计搭建的原位电化学拉曼表征平台，结合X射线光电子谱技术以及¹H低场核磁共振谱等多种分析手段进行分析。结果表明，参与氧化还原反应O官能团的比例和Ti₃C₂T_x片层间具有高自由度的水分子含量与电容量成正相关性，即O官能团比例越高，自由水含量越高，迈科烯的电化学电容量就越高。

图2.（a）Ti₃C₂T_x–6M和（b）Ti₃C₂T_x–15M在530-770 cm^-1的原位电化学拉曼光谱。

图3.（a）Ti₃C₂T_x–6M和Ti₃C₂T_x–15M在不同温度干燥后与室温干燥后的质量变化；（b）Ti₃C₂T_x–6M和Ti₃C₂T_x–15M在不同温度干燥后XRD图谱中（0002）峰的位置；（c）Ti₃C₂T_x–6M和Ti₃C₂T_x–15M在不同温度干燥后的¹H低场核磁共振谱。

该研究不仅合理地解释了长期以来Ti₃C₂T_x迈科烯在质量比电容方面存在明显差异的困惑，而且为进一步优化Ti₃C₂T_x迈科烯的电容性能指明了方向。这一成果近期发表在ACS Nano上，文章的第一作者是中国科学院金属研究所的博士研究生胡敏敏。

该论文作者为：Minmin Hu, Tao Hu, Zhaojin Li, Yi Yang, Renfei Cheng, Jinxing Yang, Cong Cui, Xiaohui Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Surface Functional Groups and Interlayer Water Determine the Electrochemical Capacitance of Ti₃C₂T_x Mxene

ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b00676

王晓辉博士简介

王晓辉，中国科学院金属研究所研究员；中国科学院卢嘉锡青年人才奖、全国优秀博士论文提名论文、中国科学院优秀博士学位论文、中国科学院院长奖获得者，中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事、美国化学学会会员，入选中国青年科技工作者协会第五届理事、中国科学院青年创新促进会首届和第二届理事；从事纳米结构/功能陶瓷（包括层状可加工MAX相陶瓷及其衍生新型二维材料MXene、锂离子电池正极材料LiFePO₄）的研究，在J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、ACS Nano、Sci. Rep.、Chem. Commun.、Chem. Mater.、J. Mater. Chem.、Appl. Phys. Lett.、Acta Mater. 等具有影响力的SCI期刊上发表论文80余篇，引用3000余次；指导学生多次获得中国科学院院长奖、国家奖学金、师昌绪奖学金；承担和作为骨干参与国家专项工程基础理论研究项目、国家自然科学基金、国防科工委配套项目、国际合作项目、公司合作项目等18项，拥有授权发明专利20余项。

http://www.x-mol.com/university/faculty/16039