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西安交大科研人员在电化学储能领域取得重要进展

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    作为一种高性能、低成本、环境友好的储能器件,超级电容器由于其高功率密度、快速充放电能力、优异的可逆性和超长循环寿命等优点,成为科学研究的热点之一。现今,越来越多的电子设备聚焦物理尺寸的小型化、微型化、柔性化,为此,开发一种新的大密度、高体积、高能量、高密度的柔性电极材料迫在眉睫。而作为一类新奇的二维纳米材料,MXenes就可拥有上述诸多优点。

    MXenes是一种过渡金属碳化物或氮化物,通常利用HF(或HCl和LiF)选择性刻蚀MAX陶瓷粉体中A元素来获得,A代表IIIA或者IVA元素,M是早期过渡金属,X代表碳或/和氮。由于MXenes的层状结构、大的密度和比表面积、高的导电性和润湿性、及相对好的化学稳定性,因而被广泛应用于离子电池、超级电容器、电催化、传感器等领域。通常,二维纳米材料能够通过剥离团聚的纳米片、调控表明官能团、引入杂原子等方法提升其电化学性能。

   

近日,西安交通大学阙文修教授课题组通过简单可控的非原位溶剂热方法成功合成了一种柔性、自支撑、致密的氮掺杂Ti3C2膜电极材料,并组装成对称超级电容器。相比原位掺杂氮元素,非原位溶剂热法不仅能获得超高的体积容量,而且对氮掺杂Ti3C2膜的成膜性几乎没影响。同时,柔性电极的高密度和优异质量容量使其体积容量突破记录,即其电容性能在5 mV s-1时超过2800 F cm3,这在目前已报道的MXenes基材料中性能最高,且拥有优异的循环寿命。组装成对称超级电容器同样拥有令人兴奋的体积能量密度(76 Wh L1)和功率密度(31112 W L1),这些与报道的MXenes、含氮碳基材料对称超级电容器相比性能更加优异。因此,采用非原位氮掺杂法对剥离的Ti3C2纳米片进行改善的简单方法,可以为其它MXenes体系的开发提供新的机会,也将为电化学能储器件如电化学电容器、各种离子电池等,体积性能的改进提供一种可能。

上述研究成果以“Flexible Nitrogen-Doped 2D Titanium Carbides (MXene) Films Constructed by an Ex Situ Solvothermal Method with Extraordinary Volumetric Capacitance”为题发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials(IF=21.875)上。西安交通大学电信学院博士生杨晨辉为本文第一作者,阙文修教授为本文的唯一通讯作者,西安交通大学为本文的唯一署名单位。该研究工作是阙文修教授课题组在电化学储能领域多项研究成果发表在Advanced Functional Materials,Journal of Materials Chemistry A,Journal of Power Sources等国际著名期刊后的又一突破性成果。该研究得到国家自然科学基金面上项目、陕西省国际科技合作项目、和国家111计划项目经费的支持。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201802087

非原位氮掺杂Ti3C2柔性电极的储能原理、电化学性能及其器件性能图

2018-09-30
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