安徽大学物理科学与信息技术研究所Yang Yue等--自然启发的互连宏观/介观/微孔MXene电极

MXene的几何式的爆发发展使其在包括但不限于储能在内的众多应用中成为一种明星材料。研究发现，孔结构调制工程可以改善MXene的固有性能，从而显著提高其电化学性能。然而，目前的大部分工作都集中在探索MXene单尺度孔隙结构调控的结构-效应关系。受自然界中发现的生物的高度分级结构和用于实现有效扩散和最大质量传递的Murray定律的启发，我们构建了一个跨微-中-大孔的分级互联多孔MXene电极。这种基于mxene的电极提供了大量的活性位点，同时大大缩短了离子扩散通道。最后，基于该MXene电极的锌离子微电容器在功率密度为2100µW cm⁻²的情况下，表现出超高的面积比电容(410 mF cm⁻²)和能量密度(103µWh cm⁻²)。其面能量密度优于目前报道的锌离子微电容器。本文支持电极材料(包括但不限于MXene)实现超短离子扩散通道和最大传输效率的有效策略，用于下一代高性能能量存储。

图1 a) PM/CNF泡沫的制备及基于PM/CNF泡沫的ZIMC组装示意图。b) PM/ CNF泡沫基ZIMC阵列和单叉指电极的照片。c)基于PM/CNF泡沫的ZIMC的SEM图像。d) PM/CNF薄膜和PM/CNF泡沫的电极结构示意图及相应的局部结构放大示意图。e)叶片的叶脉相互交错，形成相互连接的孔隙度分级网络，以最大限度地传递养分。f)相互连接的层次状多孔结构是植物进化出的实现最佳光合作用的途径。

图2. SEM图像和粒径分布直方图以及相关的形貌结构表征。

图3a)多尺度上从单一大孔隙到相互连通的孔隙结构的层级孔隙网络模型。b)单一微孔、微中孔和微中大孔3种不同的多孔网络模型的离子转运路径。c)气体发泡技术机理图，包括气核生成和气体向外扩散。d) Ti3AlC2相、MXene、PM、PM/CNF膜和PM/CNF泡沫的XRD图案。e) MXene、PM、PM/CNF膜和PM/CNF泡沫的XPS光谱，f)高分辨率C 1s和g)高分辨率Ti 2p。

图4. a)充电过程中ZIMC内离子传输示意图。b) CV曲线;c) GCD曲线;d) MXene膜、PM膜、PM/CNF泡沫的电容。e)不同扫描速率下的CV曲线，f)不同电流密度下PM/CNF泡沫基ZIMC的GCD曲线。g)基于PM/CNF泡沫的ZIMC和基于不同电极材料的微超级电容器(MSCs)的Ragone图。h)基于MXene膜、PM膜和PM/CNF泡沫的zimc的奈奎斯特图。i)通过GCD和OCV测试的PM/CNF泡沫基ZIMC的自放电率。j) PM/CNF泡沫电极基ZIMC的自放电率与已发表文献报道的电容器相比，以及抗自放电机理示意图。

图5a) PM/CNF泡沫基zimc串联、并联时的CV曲线。b) CV曲线;c)不同弯曲角度下PM/CNF泡沫电极基zimc的GCD曲线。d) pu涂层PM/CNF泡沫基ZIMC的自修复光学图。e) CV曲线和f) GCD曲线，以及g)每次愈合后pu涂层PM/CNF泡沫基ZIMC的电容保持。h) PM/CNF泡沫基ZIMC的集成外力传感系统装配图和i)装置电路连接图。压力传感器的当前实时信号，分别为j)指尖轻敲，k)固定恒压。

相关科研成果由安徽大学物理科学与信息技术研究所Yang Yue等人于2023年发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202211199)上。原文：Nature-Inspired Interconnected Macro/Meso/Micro-Porous MXene Electrode。