我所MXene基高比能超级电容器研究取得新进展

  近日,我所二维材料与能源器件研究组(DNL21T3)吴忠帅研究员与中科院金属所王晓辉研究员团队合作,采用二维金属碳化物MXene为负极,碳纳米管为正极,具有氧化还原活性的对苯二酚为正极电解液添加剂,构建了氢离子“摇椅”式高比能超级电容器,相关成果发表在《美国化学会·纳米》(ACS Nano)上。

  MXene是一类二维金属碳(氮)化物纳米片,具有高体积比容量(1500F/cm3)和高质量比容量(380F/g),是一种非常有前景的超级电容器电极材料。然而,目前报道的大部分是水系对称型超级电容器,存在工作电压窗口较窄(一般为0.6 V)的问题,导致获得的能量密度较低。因此,为充分发挥MXene的高比容量的特点,急需发展高电压超级电容器,以获得高的能量密度。

  最近,该研究团队使用Ti3C2Tx MXene为负极,碳纳米管为正极,硫酸溶液和硫酸-对苯二酚混合液分别为负极和正极电解液,质子选择性透过的Nafion膜为隔膜,构建了氢离子“摇椅”式非对称超级电容器。在充放电过程中,吸附在碳纳米管上的对苯二酚发生可逆的去质子化和质子化过程,为正极提供高赝电容;同时,伴随着负极氢离子的插入和脱出,Ti3C2Tx中的钛元素发生可逆的氧化还原反应。获得的MXene基非对称超级电容器不仅实现了氢离子在正负极之间可逆快速移动,而且器件具有1.6V的高工作电压和62Wh/kg的高能量密度,为目前已报道的水系MXene基超级电容器的最高值。该工作为MXene基非对称、高比能超级电容器的构建提供了新的思路。

  上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。(文/图 师晓宇、侯晓城)

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