ACS Nano：具有工程化化学键的黑磷@Ti3C2Tx MXene复合材料用于商业级电容式储能

Nanoyu

2021-08-10

电解质致密多孔MXene复合电极具有较高的离子可及表面和较快的离子传输速率，在高体积性能超级电容器（SCs）中显示出优异的应用前景，但它们在很大程度上受到倍率性能不足和电化学循环性能差的限制，再加上多孔网络结构的机械不稳定性。黑磷（BP）具有较高的电导率（300 S m⁻¹）和快速的离子/电子扩散特性，是一种很有前途的SCs电极材料。此外，BP独特的褶皱片层结构和较弱的范德华层间相互作用，有利于缓解循环时的应力，使其具有较高的体积性能和稳定的循环性能。

近日，新加坡国立大学John Wang，Jie Yang，中科院高能物理研究所Lirong Zheng报道了开发了一种特制的异质结构BP@Mxene复合材料，通过高温热处理，BP纳米颗粒通过Ti−O−P键原位化学键合在Mxene薄片表面，通过由皱缩的BP@Mxene组成的三维导电网络和化学键设计的优点，获得用于高性能SC的电解质可及的多孔和致密的薄膜电极。

文章要点

1）BP@Mxene杂化材料中，BP纳米颗粒的加入有效地防止了Mxene片层的自堆积，同时BP和Mxene之间形成的强界面相互作用（Ti−O−P键）使其具有所需的机械稳定性，并提供了足够的界面电荷传输。

2）实验结果显示，BP@Mxene薄膜电极在中性Na₂SO₄电解液中的体积电容为781.6 F cm⁻³（在2.0 mV s⁻¹下），并显示出高倍率容量（电容保持率为91.2%，在1000 mV s⁻¹时，容量为718.4 F cm⁻³），高于Mxene薄膜电极（452.3 F cm⁻³，保持率为60.9%）。更有趣的是，具有商业级质量负载（15 mg cm⁻²）的全封装BP@Mxene SC显示出72.6 Wh L⁻¹的高电堆体积能量密度（E_vol-stack，相对于两个电极体积的体积能量密度），接近铅酸电池（50−90 Wh L⁻¹），以及长期稳定性（50000次循环后容量保持率为90.58%）。

参考文献

Zhenghui Pan, et al, Black Phosphorus@Ti₃C₂T_x MXene Composites with Engineered Chemical Bonds for Commercial-Level Capacitive Energy Storage, ACS Nano, 2021

DOI: 10.1021/acsnano.1c01817

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01817