MXene电极用于高容量锌离子储能 | Science Bulletin

华中科技大学李露颖教授及其合作者安徽大学岳阳副教授团队采用化学氧化法制备了具有纳米级离子通道的二维过渡金属碳化物（MXenes）纳米片，该纳米片保留了大尺寸MXene纳米片的优异力学性能和导电性的同时，有效缩短离子的传输路径，提高了电化学储能能力。

研究背景

MXenes具有高度亲水的表面和优异的金属导电性，在电化学储能领域具有很强的竞争力。然而，MXenes极易自堆叠的现象会减小离子的通过率和传输路径，从而限制其电化学性能的充分发挥。为了充分发挥MXenes在电化学储能方面的优势并抑制其自堆叠行为，目前已经报道了一系列方法，其中孔刻蚀被认为是提高离子通过率和传输效率的有效策略之一，可应用于高性能储能器件的构建，特别是通过化学刻蚀制备纳米级离子通道电极具有很好的应用前景。然而，控制化学蚀刻的程度以及有效调节电化学储能仍然是目前面临的一个巨大挑战。

研究简介

本文基于纳米级面内离子通道的设计理念，通过化学氧化法制备了包含面内纳米离子通道的MXene电极，由此构建的自愈式锌离子微电容器（ZIMC）具有出色的电化学储能能力和抗自放电特性。具有面内离子通道的MXene纳米片有效缩短了离子传输距离，提高了ZIMC的电化学性能，同时保留了大尺寸MXene纳米片优异的机械强度和导电性。锌离子微型电容器在 2 mA cm^–2 的电流密度下表现出高面积比电容 (532.8 mF cm^–2)、低自放电率 (4.4 mV h^–1) 和高能量密度（在 2800 μW cm^–2 的功率密度下，其能量密度为 145.1 μWh cm^–2）。所制备的ZIMC具有优异的抗自放电性能和自愈能力，可以支持微电子器件长期工作，在电化学储能和柔性电子领域具有巨大的应用潜力。基于纳米级离子通道设计所构建的具有高离子通过率和优异机械强度的MXene电极，成功应用于大容量锌离子能量存储。因此，纳米级面内离子通道的设计为有效提高MXenes及其他二维材料的电化学储能能力提供了一种简单、高效且可扩展的方法。

图文导读

图1 纳米级离子通道设计及器件制造工艺

(a) 面内多孔MXene纳米片（P-MXene）的制备。

(b) 可自修复纳米多孔MXene基锌离子电容器的制备过程。

(c) 完好MXene和纳米多孔MXene纳米片层间离子传输路径。

(d) 自愈式锌离子电容器-压力传感系统。

图2 材料表征

(a) MAX (Ti3AlC2) 相的 SEM 图像。

(b) MXene 纳米片的 STEM-HAADF 图像和相应的元素分布图。

(c) 厚度为 1.53 nm 的 MXene 纳米片的 AFM 图像。

(d) 经2小时处理和 (e) 6小时处理的P-MXene 的 STEM-HAADF 图像，以及孔隙率和纳米孔面积的统计数据。

(f) 大尺寸 MXene、(g) 经六小时处理的P-MXene 和 (h) 小尺寸 MXene 纳米片的 SEM 图像，以及相应的粒径分布。

(i) 大尺寸 MXene、P-MXene 和小尺寸 MXene 的 XRD谱。

图3 结构调控与抗自放电机制

(a-d) 大尺寸 MXene、P-MXene 和小尺寸 MXene 薄膜的应力-应变曲线，拉伸强度，韧性和杨氏模量。

(e) 各种尺寸 MXenes 的 XPS 谱及相应的高分辨率 C 1s、O 1s 和 Ti 2p谱。

(f) 锌离子电容器在开路状态下的抗自放电机制示意图。

(g) 电沉积于叉指电极上的锌阳极。

图4 MXene 基锌离子电容器的储能性能

(a) P-MXene锌离子电容器的结构。

(b) 具有不同氧化时间的 MXene 基锌离子电容器的 CV 和 (c) GCD 曲线。

(d) 锌离子电容器在不同电流密度下的面积比电容。

(e) 6 h P-MXene 锌离子电容器的 CV 和 (f) GCD 曲线。

(g) ZIMC 的奈奎斯特图。

(h) 经6小时处理的P-MXene锌离子电容器经多次循环后的电容保持率。

(i) 锌离子电容器的抗自放电特性。

(j) 各种微电容器自放电特性的比较。

图5 MXene基锌离子电容器的多功能性

(a) 单个锌离子电容器、两个串行和并行锌离子电容器的 CV 和 (b) GCD 曲线。

(c) 不同弯曲角度的锌离子电容器的 CV 和 (d) GCD 曲线。

(e) 自愈后锌离子电容器的 CV 和 (f) GCD 曲线。

(g) 自愈后锌离子电容器的电容保留率。

(h) 锌离子电容器-压力传感系统示意图。

锌离子电容器驱动压力传感器的信号检测，包括 (i) 手指弯曲、(j) 人体脉搏、(k) 10 g 重量。

文章信息

Cheng Y, Xie Y, Liu Z, et al. Maximizing the ion accessibility and high mechanical strength in nanoscale ion channel MXene electrodes for high-capacity zinc-ion energy strage. Science Bulletin, 2022, 67(21): 2216-2224

https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.10.003

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第一作者

程永发

博士研究生在读，华中科技大学。主要研究方向为柔性电子学和二维材料模拟。

通讯作者

岳阳

副教授，安徽大学。主要研究方向为传感器、储能装置、自供电纳米体系。

李露颖

教授，华中科技大学。主要从事纳米材料透射电子显微学表征相关研究工作。

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