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我所MXene基高比能超級電容器研究取得新進展

  近日,我所二维材料与能源器件研究组(DNL21T3)吴忠帅研究員与中科院金属所王晓辉研究員团队合作,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是一類二維金屬碳(氮)化物納米片,具有高體積比容量(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,該研究團隊使用Ti3C2Tx MXene爲負極,碳納米管爲正極,硫酸溶液和硫酸-對苯二酚混合液分別爲負極和正極電解液,質子選擇性透過的Nafion膜爲隔膜,構建了氫離子“搖椅”式非對稱超級電容器。在充放電過程中,吸附在碳納米管上的對苯二酚發生可逆的去質子化和質子化過程,爲正極提供高赝電容;同時,伴隨著負極氫離子的插入和脫出,Ti3C2Tx中的钛元素發生可逆的氧化還原反應。獲得的MXene基非對稱超級電容器不僅實現了氫離子在正負極之間可逆快速移動,而且器件具有1.6V的高工作電壓和62Wh/kg的高能量密度,爲目前已報道的水系MXene基超級電容器的最高值。該工作爲MXene基非對稱、高比能超級電容器的構建提供了新的思路。

  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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