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Mn+ 1XnTx,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Ti3C2Tx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。Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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Ti3C2Tx–6M和Ti3C2Tx–15M。其电化学电容性能分析如图1所示,Ti3C2Tx–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Ti3C2Tx–15M高192 F/g。
图1. Ti3C2Tx–6M和Ti3C2Tx–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Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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)Ti3C2Tx–6M和(b)Ti3C2Tx–15M在530-770 cm-1的原位电化学拉曼光谱。
图3.(a)Ti3C2Tx–6M和Ti3C2Tx–15M在不同温度干燥后与室温干燥后的质量变化;(b)Ti3C2Tx–6M和Ti3C2Tx–15M在不同温度干燥后XRD图谱中(0002)峰的位置;(c)Ti3C2Tx–6M和Ti3C2Tx–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Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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
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Surface Functional Groups and Interlayer Water Determine the Electrochemical Capacitance of Ti3C2Tx 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
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