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滑铁卢大学Aiping Yu,新加坡科技研究局Shibo Xi等--工程化MXene量子点在微超级电容器中的应用
        微型超级电容器(MSC)作为小型化便携式/可穿戴电子产品的有希望的候选者而引起了极大的关注,但它们仍然存在电化学性能不理想(例如能量密度不足、倍率性能平庸)的问题,从而阻碍了其广泛应用。在此,提出了一种通过缩小至量子点尺度、掺杂杂原子以及引入缺陷和官能团来实现协同表面和结构工程策略来调节Ti 3 C 2 T x MXene的物理化学性质。令人鼓舞的是,所得到的基于富缺陷氮掺杂 Ti 3 C 2 T x量子点(QD)的 MSC 具有优异的电化学性能,如大工作电压( 离子液体中 3.0 V, 水性电解质中 1.0 V)、完美的矩形即使在 1000  V·s -1 下也能保持 CV 形状、33.1 F·cm -3的高体积电容以及 10000 次循环后的优异循环稳定性。通过实验表征和密度泛函理论计算,MSCs的卓越性能主要归功于Ti 3 C 2 T x QDs的特殊化学态以及独特的表面和结构特征,它提供了丰富的活性位点,缩短了离子扩散途径,促进离子/电子传输,并提供增强的电容。该工作为高性能MSC的设计提供了新的策略,也为MXene量子点在其他能源相关领域的应用提供了参考。
 
图1. (a) Ti 3 C 2 T x QDs的合成过程图解。(b) Ti 3 C 2 T x纳米片的TEM图像。(b) 中的插图是相应的低分辨率 TEM 图像。(cf) Ti 3 C 2 T x QD 不同放大倍数的 TEM 图像。(g) 合成的Ti 3 C 2 T x QD 的EEL 光谱。(g) 中的插图是 NK 边缘。
 
图2. (a) Ti 3 C 2 T x QDs 溶液的紫外可见光谱(橙色)和 PL 光谱(蓝色)。(a) 中的插图分别是 Ti 3 C 2 T x QDs 溶液在可见光(左)和紫外光(右)下的照片。(b) Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x纳米片对应物的 XRD 图案。Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x纳米片对应物的 XPS 光谱:分别为(c)Ti2p,(d)C1s。(e) Ti箔、TiO 2、Ti 3 C 2 T x QD和Ti 3 C 2 T x纳米片的钛K边缘XANES 。分别对(f) Ti 3 C 2 T x纳米片、(g) Ti 3 C 2 T x QD 和(h) TiO 2进行小波变换。(i) Ti 箔、TiO 2、Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x纳米片在 R 空间中的 k2 EXAFS 的傅立叶变换。
 
图3. (a) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs的 MSC 的制造过程图示。基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC的叉指电极在不同放大倍率下的 SEM 图像:(b,c)低放大倍数,(df)高放大倍数。(g) 叉指电极的横截面 SEM 图像。(h) 叉指电极的 SEM 图像及其相应的 Ti、C、N 和 O 元素映射图像。
 
图4. 基于Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 1  M KOH 电解质中不同扫描速率下的 CV 曲线:(a) 1  V·s -1,(b) 10  V·s -1,(c) 100  V· s -1、(d)分别为1000V  ·s -1。(e) 固定电势 (0.5 V) 下的阴极电流对数对扫描速率对数的依赖性 。(f) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的体积电容作为扫描速率的函数。(g) 获得的MSC在不同恒流密度下的GCD曲线​​。(h) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的奈奎斯特图。(h) 中的插图是相应的部分放大奈奎斯特图。(i) 阻抗相位角与频率的关系图。
 
图5. (a) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 10000 次循环后的电容保持率。(b) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 与其他报道的 MSC 和商业设备的 Ragone 图进行比较。(c) 两个串联 MSC 的示意图,以及 (d) 与单个器件在 10  V·s -1下的相应 CV 曲线。(e) 两个并联 MSC 的示意图,(f) 与单个器件在 10  V·s -1下相对应的 CV 曲线。
 
图6. EMIMBF 4离子液体中基于Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在不同扫描速率下在 EMIMBF 4离子液体中获得的基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的 CV 曲线: (a) 1 V·s -图1中,(b)10V ·s -1、(c) 100V·s -1、(d)1000V ·s -1。(e) 固定电势 (1.5 V) 下阴极电流的对数对扫描速率对数的依赖性。(f) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的体积电容作为扫描速率的函数。(g) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的奈奎斯特图。(g) 中的插图是相应的部分放大奈奎斯特图。(h) 阻抗相位角与频率的关系图。(i) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 EMIMBF 4离子液体中经过 10000 次循环后的电容保留。
 
图7 . (a) Ti 3 C 2 T x纳米片、(d) Ti 3 C 2 T x QD 和 (g) 氮掺杂 Ti 3 C 2 T x QD的优化侧视结构。(b) Ti 3 C 2 T x纳米片、(e) Ti 3 C 2 T x QD 和(h) 氮掺杂的Ti 3 C 2 T x QD的总态密度和相应的部分态密度。(c) Ti 3 C 2 T x纳米片、(f) Ti 3 C 2 T x QD 和(i) 氮掺杂的 Ti 3 C 2 T x QD表面上 K 离子的扩散能垒。(c)、(f) 和 (i) 中的插图分别是每种材料及其优化结构相应的有利扩散路径。
 
       相关科研成果由滑铁卢大学Aiping Yu,新加坡科技研究局Shibo Xi等人于2024年发表在Nano Energy(https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109332)上。原文:Engineered MXene Quantum Dots for Micro-Supercapacitors with Excellent Capacitive Behaviors
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109332

转自《石墨烯研究》公众号

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