电解质致密多孔MXene 复合电极具有较高离子可及表面和较快的离子传输速率，在高体积性能超级电容器(SCs)方面显示出非凡的应用前景，但它们在很大程度上受到倍率性能不足和电化学循环性能差的限制，与多孔网络结构的机械不稳定性有关。利用化学键设计，通过在皱缩的MXene薄片上原位生长BP纳米颗粒，成功制备了具有3D多孔网络结构的黑磷 (BP)@MXene致密薄膜。在BP-MXene 面处形成的强界面相互作用（Ti-O-P 键），不仅增强了BP-MXene异质结构中的原子电荷极化，提供了足够的界面电子传输，而且还大大提高了机械稳定性。具有商业级质量负载（~15 mg cm⁻²）的BP@MXene 复合薄膜全封装的 SCs 可提供 72.6 Wh L⁻¹ 的高电堆体积能量密度，接近铅酸电池的能量密度（50-90 Wh L^-1)，以及长期稳定性（50000 次循环后容量保持率为 90.58%）。如此高的能量密度弥合了传统电池 SCs之间的差距，代表了在设计紧凑电极以实现商业级电容储能方面的及时突破。
 

Figure 1. 合成具有强 Ti-O-P 键的皱缩BP@MXene（BP@Ti₃C₂）复合材料的示意图。
 
 
Figure 2. 异质结构BP@MXene复合材料的结构表征。（a）碱诱导的3D起皱 Ti₃C₂（OH）_x 网络和（b和c）皱缩的异质结构BP@MXene复合材料的SEM图，放大倍数增加。(d)在MXene 薄片上生长的BP纳米颗粒的低倍放大和(e)放大TEM图。(f)MXene-BP界面的HRTEM图，取自（e）部分中的白色虚线框。(g1)MXene的HRTEM图和(g2)相应的FFT结果。(h1)BP的HRTEM图和(h2)相应的FFT结果。(i)异质结构BP@MXene复合材料的HAADF图和相应的EDS映射图。(j) Ti L-edge和(k) O K-edge的电子能量损失谱，取自MXene薄片（第i部分中的区域1）和附近MXene-BP界面（第i部分中的区域2）。
 
 
Figure 3.异质结构BP@MXene 复合材料的表征。 BP@MXene 复合材料和 MXene的(a)Ti 2p和(b) P 2p 的高分辨率 XPS 光谱。(c) BP@MXene 复合材料、MXene和BP的拉曼光谱。(d) Ti K-edge的归一化XANES 光谱。(e) BP@MXene 复合材料、MXene、Ti箔和TiO2的EXAFS数据在Ti K-edge XANES光谱上的相应k3加权傅立叶变换曲线。 (f) P K-edge的归一化XANES光谱。
 
 
Figure 4. DFT计算结果。(a)用于描绘MXene和BP@MXene 复合材料的模型的顶视图和侧视图。黄色、黑色、紫色和蓝色的原子分别代表 Ti、C、O和P。(b)计算出的MXene和BP@MXene 复合材料之间的电荷密度差异。等值是0.01以更好地绘制差异。(c)计算出MXene和BP@MXene 复合材料的PDOS，费米能级对齐。(d) 计算MXene和BP@MXene 复合材料上最稳定的Na和SO₄^2-吸附位点的结合能。(e，f)计算的MXene和吸附有Na和SO₄²⁻离子的BP@MXene复合材料之间的电荷密度分布差异。
 
  
Figure 5. BP@MXene薄膜的表征和BP@MXene 薄膜电极的电化学表征。(a)具有高柔韧性的独立式BP@MXene薄膜的数码照片。(b)层状BP@MXene多孔结构的横截面SEM图。(c) MXene和BP@MXene薄膜的XRD 图。(d)MXene和 BP@MXene 薄膜的N₂吸附-解吸等温线（STP，标准温度和压力）。插图是孔径分布。MXene和BP@MXene-SCs 在1.0 M Na₂SO₄电解质中在 2.0 mV s^-1 扫描速率下的（e）EIS 图和（f）CV曲线的比较。(g)计算的体积电容与BP@MXene薄膜的电流密度。
 
  
Figure6. 基于BP@MXene薄膜电极的SCs在EMIMTFSI电解质中的电化学表征。BP@MXene-SC在不同扫描速率下的CV曲线（a）和不同电流密度下的（b）GCD曲线。(c)计算的体积电容与BP@MXene电极的电流密度。(d) BP@MXene 电极的体积电容与不同电流密度的关系（BP@MXene面质量负载为1.0至15 mg cm^-2）。(e)体积电容保持率与f_electrode电极的燃烧通过增强BP@MXene膜的面积质量负载，优化为15 mg cm^-2。（f）BP@MXene-SC（每电极15 mg cm^-2）与报告值和最先进的ESD（商业SC和铅酸电池）的Ragone图。应该注意的是，所有呈现的能量和功率密度值都按整个设备的总体积进行归一化，而不仅仅是电极。 (g) BP@MXene-SC在50 A cm^-3 电流密度下的循环稳定性（BP@MXene 复合材料的面质量负载为 15 mg cm^-2）。(h) 两个不同尺寸的商用级电容袋（80mm×110 mm和50 mm×80mm）和（i）两个串联的电容袋（80mm×110 mm）的数字光学图像，为“圣诞树”标志，带有彩色LED。
 
       相关研究成果由新加坡国立大学John Wang，Jie Yang课题组和中科院高能物理研究所Lirong Zheng课题组于2021年发表在《ACS NANO》（https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01817）上。原文：Black Phosphorus@Ti₃C₂T_xMXene Composites with Engineered Chemical Bonds for
Commercial-Level Capacitive Energy Storage。

转自《石墨烯杂志》公众号