碳能源文献精读写作大赛|具有定向片层堆叠功能的宏观MXene纤维用于高性能柔性超级电容器

Carbon Energy

碳能源文献精读写作大赛

一、研究背景

基于小型化和可穿戴电子设备的蓬勃发展，开发具有一定柔性、高电导率和优异电化学性能的柔性纤维-状电极已变得越来越重要。最近，厚度在埃级、横向尺寸在微米范围的二维（2D）材料已被视为构建宏观纤维电极的理想构件。特别地，具有几乎完美平行排列的薄片纤维可以使单个薄片的理想性能最大化。例如，具有亲水性表面的氧化石墨烯能够很好地分散在水系介质中，从而可以使用规模化的湿-纺工艺来促进纤维的连续产生。尤其是，通过精细控制薄片的排列和取向顺序，可以大大改善热-机械和电性能。为增强电化学性能，已通过沉积赝电容材料（如氧化锰、氧化钴和氧化钌）的方式，开发了杂化纤维电极。此外，也可以采用类于氧化石墨烯的纺丝工艺，将分散在水系介质中的2D过渡金属氧化物片直接组装到纤维电极中。有时，这种片与石墨烯的杂化可作为辅助的集流体。应该注意的是，含有大量的电化学活性材料通常可以提高储能能力，但是其总的倍率性能通常受固有较低的电导率所限制。因此，非常需要导电纤维状电极具有规则的2D片层结构和良好的电导率，以赋予其最佳的机械强度和储能能力。

最近，一种所谓MXene的新型2D材料因其独特的物理和化学特性而受到了学术界的广泛关注，并且在能源存储、化学治疗和光电子学等领域都有着广泛的应用前景。MXenes源自六方MAX相，一般以Mn+1AXn表示其组成。其中，M表示过渡金属，A表示IIIA和IVA族中的元素，X表示碳和/或氮原子。在化学刻蚀A层以后，可以获得2D MXene片。这样的片在构造宏观纤维方面具有三个突出的优势。首先，过渡金属碳化物或氮化物骨架中的大量自由电子赋予MXene优异的（金属）电导率（根据实验结果，单个薄片的为6000-10 000 S/cm）。其次，2D片的形貌可确保较高的比表面积，其可能会提供高的双电层电容。最后，也是最重要的一点，表面末端丰富的氧化还原反应，特别是在酸性环境中，赋予MXene片额外的赝电容。因此，无需任何辅助成分，MXene就有可能提供出色的电化学性能。虽然已经报道了一些创新性的实验尝试来生产宏观MXene纤维，但是大多数研究不得不结合一些具有纤维可纺性的组分，例如还原氧化石墨烯（rGO）、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐。纯MXene纤维的形成在很大程度上受到MXene尺寸和对合适混凝反应选择的限制。与通过范德华力将各层保持在一起的石墨和其他层状结构不同，牢固的M–A键意味着只能通过使用苛刻的化学方法选择性刻蚀A层来生产MXenes。此外，刻蚀过程中M–A键的断裂会因其相似的键能而破坏M–X键。结果，尽管母体MAX晶体的长度为几十微米，但所获得的MXenes大多仅表现出有限的横向尺寸，仅为几百纳米，从而产生了额外的晶界，这对于构造宏观的MXene纤维构成了重大障碍。尤其是，MXenes的小尺寸对于薄片以宏观结构对齐是不利的，这可能需要精细控制薄片界面和合成参数。虽然，最近报道了一种无需添加剂、仅由纯MXene所组成的宏观纤维，但是它是通过选择较大尺寸的高浓度液晶相片来成功制备的，在构造具有高度取向结构的纯MXene纤维的问题仍有待进一步解决。

二、成果简介

近日，苏州大学材料与化学化工学部耿凤霞课题组通过湿-纺Ti3C2胶体溶液及后处理工艺，成功开发了具有高度取向片层堆叠结构的纯Ti3C2纤维（其中，Ti3C2是一类典型的MXene）。湿-纺过程中形成的结构得到了很好的维持，几乎对片层取向或机械性能没有明显影响。

所获得的纯Ti3C2纤维表现出三个突出的优点。首先，纤维中的薄片具有高度取向的堆叠结构，这意味着每个片层的机械性能都得到了有效整合。这种纯的Ti3C2纤维可提供30.0 MPa的拉伸强度，足以用于实际的设备开发。其次，每个片层都是极好的导体，并且片层之间紧密相连，有利于构建连续的导电网络，能够提供2458 S/cm的高电导率，这比先前报道MXene-基复合物的大了近两个数量级。最后，规则的堆叠结构可形成开放的2D通道，有效减少了离子返回，从而缩短了离子扩散路径的长度，并促进了电极的反应（231.0 F/g或39.2 mF/cm）。即使在10 A/g的高电流密度下，亦是如此。基于所设计纤维Ti3C2电极的优异电化学行为，所组装配有rGO对电极的非对称式超级电容器在1679.0 mW/cm3（581.0 W/kg）的功率水平下，可提供58.4 mWh/cm3（20.0 Wh/kg）的最大体积能量密度；当体积功率密度增加到7466.0 mW/cm3（2583.0 W/kg）时，也可保持17.6 mWh/cm3（6.1 Wh/kg）。这项研究证明了MXene可接受的加工操作性，并为MXene材料在未来可穿戴电子产品中的应用打开了新的突破口。

相关论文信息

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论文标题：

Macroscopic MXene ribbon with oriented sheet stacking for high‐performance flexible supercapacitors

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.65

DOI:https://doi.org/10.1002/cey2.65

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https://onlinelibrary.wiley.com/journal/26379368

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