西南交通大学杨维清Nano Energy:通过酸性分子剪刀裁剪Ti3CNTx MXene

引言

MXenes由于其良好的电导率，优异的机械性能和高的比表面积而越来越受到科学界的关注。目前，对MXenes进行修饰的方法越来越多，缺陷工程已广泛应用于控制二维材料的电、磁、电化学和光电性能。然而，由于MXene的独特结构，在MXene纳米片上精准地引入缺陷或空位是一项具有挑战性的工作。

成果介绍

近日西南交通大学杨维清教授团队提出一种“分子剪刀”的方法对Ti₃CNT_x MXenes进行精准地裁剪得到多缺陷的MXene，并且将其应用在微型超级电容器上，表现出可观的电化学性能。另外，在此基础上我们解释了其机理，这些缺陷位点是质子化反应的理想平台，使赝电容反应中的质子具有更强的扩散和传输能力。相关成果以“Tailoring Ti₃CNT_x MXene via an acid molecular scissor”发表于Nano Energy期刊上，博士研究生陈宁俊为第一作者，西南交通大学张海涛教授和加州大学洛杉矶分校陈俊教授为本文的共同通讯作者。

图文导读

图1. 酸性分子剪刀的作用机理。

(a)多活性位点的Ti₃CNT_xMXene的赝电容反应的过程。(b, c) 酸性分子剪刀作用下形成三种活性氮。(d) Pyridinic-N活性位点。(e) N-O活性位点。(f) Pyrrolic-N活性位点。(g) Ti₃AlCN的N1s XPS谱。(h) Ti₃CNT_x的N1s XPS谱表明裁剪后的Ti₃CNT_x MXenes具有多种氮活性位点。

图2. 裁剪后的Ti₃CNT_x的形貌。

 (a) 较少空位缺陷的Ti₃CNT_x-12h的HRTEM图像。（b）多活性位点的T_i3CNT_x-24h的HRTEM图像。(c) Ti₃CNT_x-48h HRTEM图像，大量的孔洞导致的MXene晶格畸变的。比例尺均为1 nm。(d) 随着裁剪程度的增加，缺陷密度增加。(e) 不同样品的尺寸分布。(f) Ti₃CNT_x-12h和Ti₃CNT_x-24h的AFM图像和厚度轮廓表明相较于未裁剪的Ti₃CNT_x MXene, 高活性的MXene纳米片厚度没有变化。

图3.  Ti₃CNT_x膜在H₂SO₄ (1 M)电解质中的电化学性能。

(a)Ti₃CNT_x-24h电极的CV曲线表现出其具有更高的赝电容容量。(b) Ti₃CNT_x-12h电极的CV曲线。(c)由CV曲线得到的所有样品的比电容。(d) Ti₃CNT_x-24h的GCD曲线。(e) Ti₃CNT_x-12h的GCD曲线。(f)由GCD曲线得到的比电容。(g) 所有Ti₃CNT_x电极的奈奎斯特图。(h) Ti₃CNT_x-12h和Ti₃CNT_x-24h对应的本征面积电容、实测面积电容和时间常数。(i) 随着裁剪时间的增加，氮含量和比电容的变化趋势一致。

图4. Ti₃CNT_x微型超级电容器的制备工艺示意图及其电化学性能。

(a-c) 制备工艺流程图。(d) 不同指宽的电容器的CV曲线。(e) 不同指宽电容器的奈奎斯特图。(f) 不同指宽电容器的GCD曲线。(g) 用Ti₃CNT_x-12h和Ti₃CNT_x-24h组装的超级电容器的Ragone图。高活性的Ti₃CNT_x MXene拥有更高的能量密度。

图5. 集成化Ti₃CNT_x基超级电容器的电化学性能。

(a-c) 串联器件的CV曲线, GCD曲线和奈奎斯特图。(d-f) 并联器件的CV曲线，GCD曲线和奈奎斯特图。

小结

作者们通过酸性分子剪刀策略来精确地裁剪Ti₃CNT_x MXenes，实现了具有设计的形态和适当的缺陷密度的Ti₃CNT_x MXenes的制备。设计的缺陷位点是质子化反应的理想平台，使赝电容反应中的质子具有更强的扩散和传输能力。此外，我们进一步封装了高性能的Ti₃CNT_x基超级电容器，其体积电容达到250 F cm^-3, 在0.43 W cm^-3的功率密度下仍保持12.46 mWh cm^-3的能量密度。本文报道的酸分子剪刀提出了一种可控和建设性的方法来裁剪MXene，它可以在原子尺度上重塑MXene纳米材料，因此该策略打开了一系列MXene在能源、传感和医疗方面的应用的潜力。

论文链接

Tailoring Ti₃CNT_x MXene via an Acid Molecular Scissor, Nano Energy, 2021，85:106007.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106007

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