苏州大学耿凤霞团队:氮掺杂Ti3C2纳米片胶体溶液用于液相组装柔性电极新策略

【研究背景】

二维纳米材料具有众多不同于块体材料的独特物理化学性质，在储能、催化等领域备受关注，基于二维材料的胶体分散液可通过多种溶液相加工技术规模化地构筑宏观功能性材料，从而将二维纳米片优异的本征物理化学性质拓展到宏观组装体中。MXene是一种新型二维过渡金属碳化物或氮化物，具有与金属可比的高导电性、丰富可调的表面和电子结构、良好的亲水性以及优异的电化学赝电容特性等特点，是电化学储能领域良好的电极材料选择。对MXene材料进行化学改性，例如异质原子特别是氮原子掺杂，能够有效调控MXene的晶体和电子结构，从而增加材料的电化学活性位点、提高对电化学活性物质的表面吸附能力以及电导率，实现进一步优化电极材料的电化学特性。因此，开发稳定的MXene纳米片胶体分散液，对通过实施多种液相组装技术实现可控制备宏观柔性电极并扩展MXene在电化学储能领域的应用具有重要意义。

【成果简介】

近日，苏州大学能源学院耿凤霞教授团队通过在典型MXene材料—碳化钛（Ti3C2）晶格中原位掺杂N原子同时保持宿主材料的表面亲水性，成功获得了稳定的氮掺杂Ti3C2纳米片胶体溶液。其中，氮原子通过晶格取代（置换Ti3C2中的C原子、占据Ti原子空位）或与表面Ti原子键合等形式，有效调控了Ti3C2纳米片的电子结构，提高了纳米片的面内电导率和表面氧化还原反应活性，从而增强材料的法拉第赝电容。

研究者以碳布为集流体探究了氮掺杂Ti3C2纳米片的电化学性能，其表现出优异的电容性能（扫描速率为5 mV s-1时，电容可达586 F g-1）和循环稳定性（5 A g-1的电流密度下经过10000次循环后电容保持率高达96.2 %）；即使通过直接真空抽滤得到的自支撑柔性膜电极，在扫描速率为5 mV s-1时仍能保持562 F g-1的电容，进一步证明了氮掺杂Ti3C2良好的导电性。此外，将该柔性电极作为负极，与聚吡咯/rGO正极、PVA/H2SO4凝胶电解质共同组装柔性非对称超级电容器，所制备的器件在1.4 V的宽电压区间内能够稳定工作；在获得高能量密度（32 W h kg-1）的同时保持了821 W kg-1的功率密度。该研究为设计异质原子掺杂的稳定MXene胶体溶液并用于液相组装高性能宏观柔性电极提供了新的策略。

相关论文信息

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论文标题：

Facile synthesis of colloidal nitrogen-doped titanium carbide sheets with enhanced electrochemical performance

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.51

DOI:https://doi.org/10.1002/cey2.51

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