【原】安徽大學(xué)物理科學(xué)與信息技術(shù)研究所Yang Yue等--自然啟發(fā)的互連宏觀/介觀/微孔MXene電極

石墨烯研究 2023-02-01 發(fā)布于江蘇

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MXene的幾何式的爆發(fā)發(fā)展使其在包括但不限于儲能在內(nèi)的眾多應(yīng)用中成為一種明星材料。研究發(fā)現(xiàn)，孔結(jié)構(gòu)調(diào)制工程可以改善MXene的固有性能，從而顯著提高其電化學(xué)性能。然而，目前的大部分工作都集中在探索MXene單尺度孔隙結(jié)構(gòu)調(diào)控的結(jié)構(gòu)-效應(yīng)關(guān)系。受自然界中發(fā)現(xiàn)的生物的高度分級結(jié)構(gòu)和用于實現(xiàn)有效擴散和最大質(zhì)量傳遞的Murray定律的啟發(fā)，我們構(gòu)建了一個跨微-中-大孔的分級互聯(lián)多孔MXene電極。這種基于mxene的電極提供了大量的活性位點，同時大大縮短了離子擴散通道。最后，基于該MXene電極的鋅離子微電容器在功率密度為2100μW cm^?2的情況下，表現(xiàn)出超高的面積比電容(410 mF cm^?2)和能量密度(103μWh cm^?2)。其面能量密度優(yōu)于目前報道的鋅離子微電容器。本文支持電極材料(包括但不限于MXene)實現(xiàn)超短離子擴散通道和最大傳輸效率的有效策略，用于下一代高性能能量存儲。

圖1 a) PM/CNF泡沫的制備及基于PM/CNF泡沫的ZIMC組裝示意圖。b) PM/ CNF泡沫基ZIMC陣列和單叉指電極的照片。c)基于PM/CNF泡沫的ZIMC的SEM圖像。d) PM/CNF薄膜和PM/CNF泡沫的電極結(jié)構(gòu)示意圖及相應(yīng)的局部結(jié)構(gòu)放大示意圖。e)葉片的葉脈相互交錯，形成相互連接的孔隙度分級網(wǎng)絡(luò)，以最大限度地傳遞養(yǎng)分。f)相互連接的層次狀多孔結(jié)構(gòu)是植物進化出的實現(xiàn)最佳光合作用的途徑。

圖2. SEM圖像和粒徑分布直方圖以及相關(guān)的形貌結(jié)構(gòu)表征。

圖3a)多尺度上從單一大孔隙到相互連通的孔隙結(jié)構(gòu)的層級孔隙網(wǎng)絡(luò)模型。b)單一微孔、微中孔和微中大孔3種不同的多孔網(wǎng)絡(luò)模型的離子轉(zhuǎn)運路徑。c)氣體發(fā)泡技術(shù)機理圖，包括氣核生成和氣體向外擴散。d) Ti3AlC2相、MXene、PM、PM/CNF膜和PM/CNF泡沫的XRD圖案。e) MXene、PM、PM/CNF膜和PM/CNF泡沫的XPS光譜，f)高分辨率C 1s和g)高分辨率Ti 2p。

圖4. a)充電過程中ZIMC內(nèi)離子傳輸示意圖。b) CV曲線;c) GCD曲線;d) MXene膜、PM膜、PM/CNF泡沫的電容。e)不同掃描速率下的CV曲線，f)不同電流密度下PM/CNF泡沫基ZIMC的GCD曲線。g)基于PM/CNF泡沫的ZIMC和基于不同電極材料的微超級電容器(MSCs)的Ragone圖。h)基于MXene膜、PM膜和PM/CNF泡沫的zimc的奈奎斯特圖。i)通過GCD和OCV測試的PM/CNF泡沫基ZIMC的自放電率。j) PM/CNF泡沫電極基ZIMC的自放電率與已發(fā)表文獻報道的電容器相比，以及抗自放電機理示意圖。

圖5a) PM/CNF泡沫基zimc串聯(lián)、并聯(lián)時的CV曲線。b) CV曲線;c)不同彎曲角度下PM/CNF泡沫電極基zimc的GCD曲線。d) pu涂層PM/CNF泡沫基ZIMC的自修復(fù)光學(xué)圖。e) CV曲線和f) GCD曲線，以及g)每次愈合后pu涂層PM/CNF泡沫基ZIMC的電容保持。h) PM/CNF泡沫基ZIMC的集成外力傳感系統(tǒng)裝配圖和i)裝置電路連接圖。壓力傳感器的當(dāng)前實時信號，分別為j)指尖輕敲，k)固定恒壓。

相關(guān)科研成果由安徽大學(xué)物理科學(xué)與信息技術(shù)研究所Yang Yue等人于2023年發(fā)表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202211199)上。原文：Nature-Inspired Interconnected Macro/Meso/Micro-Porous MXene Electrode。