Nature子刊：MXene构建超快速赝电容！

电子设备对移动性需求的不断增长，激发研究人员不断开发高充放电速率、高能量密度的电池材料。赝电容器基于表面快速氧化还原的电荷储存机理，在快速充放电和高能量密度性能上比双电层电容器和电池更具优势。

 

    问题在于：现有大多数高比容量金属氧化物赝电容材料导电性和离子传导性较差，电极电阻较大，导致功率密度较低。导电层包裹技术虽然增强了电荷传递，但是离子和电子不能快速传递到活性位点又成为了新的问题。

 

MXene作为赝电容材料的优势在于：

1）内部导电的过渡金属氮化物层确保电子及时供应给电化学活性位；

2）合成过程中产生的类似过渡金属氧化物的表面具有氧化还原活性；

3）二维形貌和预插层的水分子确保离子的快速传递。

 

图1. MXene结构

 

    有鉴于此，Patrice Simon和Yury Gogotsi等人报道了利用MXene构建超快速赝电容，以超过常规EDLCs的速率工作，体积比电容和面积比电容还要优于碳、导电高分子以及过渡金属氧化物等材料。

 

 

图2. 两种结构构筑的Ti₃C₂T_x电极

 

    研究人员基于两种MXene电极结构，离子可以快速传递到氧化还原活性位点。大孔Ti₃C₂T_x MXene薄膜可在10 V s^-1条件下实现200 F g^-1的比电容，性能超过现有效果最好的碳基超级电容器。

另外，通过在MXene层间原位插入H₂SO₄电解质，可使MXene水凝胶体积比电容达到1500 F cm^-3左右，可媲美RuO₂。

 

 

 

图3. 平面Ti₃C₂T_x电极的电化学性能

 

 

 

图4. 大孔Ti₃C₂T_x电极的电化学性能

 

Maria R. Lukatskaya, Sankalp Kota, Zifeng Lin, Patrice Simon, Yury Gogotsi et al. Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides. Nature Energy 2017, 2, 17105.