由于层状材料中大尺寸半径的钾离子的反应动力学缓慢，水性钾离子混合超级电容器（PIHC）的能量密度受到严重限制。同时，缺陷的处理对于储能材料来说是一把“双刃剑”，需要有针对性、精准调控。为了解决这一问题，利用碳空位缺陷调节策略构建了多层六角孔MXene陷阱，并在PIHCs中实现了高比电容和能量密度的钾离子存储。结合六方孔MXene陷阱内壁新暴露的钛原子价态变化引起的赝电容效应，阐明了原子水平上的构效关系。利用密度泛函理论，计算了多层六方孔MXene对钾离子的吸附能和动力学分析，确定了钾离子的最佳位置和数量。通过电子能带结构和差分电荷密度的定量分析，揭示了多层六方孔MXene PIHCs高电导率和能量密度的内在机制。
 

图1.电极材料的微观结构和形貌。 (a-c) 空位-Ti3AlC2、空位-Ti3C2 和普通-Ti3C2 的色散。 (d) 普通 Ti3C2 的形态。 (e-i) 空位-Ti3C2 的形态。 (j,k) 空位-Ti3AlC2 的高分辨率透射电子显微镜和局部放大图像。 (l) 空位-Ti3AlC2 的选择性电子衍射图像。
 

图2.电极材料的结构演变。 (a-c) 空位-Ti3AlC2、普通-Ti3C2、普通-Ti3AlC2 和空位-Ti3C2 的 XRD 图案。 (d) 常规制备的Normal-Ti3AlC2 的分子结构。 (e) 高温液氮快速冷却下空位-Ti3AlC2 的分子结构。 (f) 微波辅助蚀刻后的空位-Ti3C2 分子结构。 (g-i)空位-Ti3C2和普通-Ti3C2的峰(002)、(004)和(006)的XRD局部放大图。
 

图3.从MAX Ti3AlC2到多层六角孔MXene Ti3AlC2的碳空位缺陷排序机制示意图。 (a)点缺陷示意图。 (b-e) Ti3AlC2分子结构立体侧视图、侧视图、立体俯视图和无缺陷俯视图。无缺陷Ti3AlC2分子结构俯视图示意图。 (f) 传统Normal-Ti3AlC2分子结构的俯视示意图。 (g-i) Vacancy-Ti3C2分子结构俯视方向形成小六方孔的示意图
 

图4. Vacancy-Ti3C2 和Normal-Ti3C2 中钾储存的电化学测试。 (a) 空位-Ti3C2 和普通-Ti3C2 在扫描速率 90 mV/s 下的循环伏安 (CV) 曲线。 (b) Vacancy-Ti3C2 在 10 mV/s 至 90 mV/s 扫描速率下的 CV 曲线。 (c) Vacancy-Ti3C2在不同电压下的拟合b值曲线。 (d) 不同扫描速率下空位-Ti3C2 的电容贡献图。 (e) 空位-Ti3C2 的表面电容贡献图。 (f) Normal-Ti3C2 的表面电容贡献图。 (g) Vacancy-Ti3C2 和 Normal-Ti3C2 在电流密度 2.5 A/g 下的恒电流充电/放电 (GCD) 曲线。 (h) 电流密度为 2.5 A/g 至 6.5 A/g 时空位-Ti3C2 的 GCD 曲线。 (i) Vacancy-Ti3C2 和 Normal-Ti3C2 的多重性能图。
 
 
图5. Vacancy-Ti3C2水性混合软包超级电容器的钾离子存储性能。 (a)软包超级电容器示意图。 (b,c)Vacancy-Ti3C2混合软包超级电容器照明LED和软屏的实际应用。 (d) 钾离子水混合软包超级电容器在扫描速率 50 mV/s 下的 CV 电压范围曲线。 (e) 扫描速率为 10 mV/s 至 90 mV/s 的钾离子水混合软包超级电容器的 CV 曲线。 (f) 钾离子水混合软包超级电容器在电流密度从 2.5 A/g 到 6.5 A/g 时的 GCD 曲线。 (g) 空位-Ti3C2 和普通-Ti3C2 的EIS。 (h) (g) 高频区域的放大倍数。 (i) Vacancy-Ti3C2 的 N2 吸附和解吸等温线。 (j) 钾离子水混合软包超级电容器10,000次循环的比电容曲线。 (k)钾离子水混合软包超级电容器的能量密度和功率密度之间的关系。
 

图6 多层六方孔Vacancy-Ti3C2吸附钾离子机理示意图。 (a) 没有碳缺陷的未吸附钾和吸附钾位置模型。 (b-d) 无缺陷的吸附 H1、H2 和 H3 位置模型。 (e-g) H3 位置 1、3 和 5 碳空位缺陷吸附模型。
 

图7. Vacancy-Ti3C2吸附不同空位钾离子的电荷差密度和c轴截面电荷增益/损失图。 (a,d,g)具有1、3、5个碳空位的Vacancy-Ti3C2的三维电荷差密度图。 (b、e、h)具有1、3、5个碳空位的空位-Ti3C2的C轴横截面电荷增益/损失图。 (c,f,i)具有1、3、5个碳空位的Vacancy-Ti3C2的二维横截面电荷差密度图。
 

图 8. Vacancy-Ti3C2 模型的能带结构和 PDOS。 (a, e, i, m) 具有 0、1、3、5 个碳空位的空位-Ti3C2 的能带放大率。 (b, f, j, n) 具有 0、1、3、5 个碳空位的空位-Ti3C2 的 PDOS。 (c, g, k, o) 具有 0、1、3、5 个碳空位的碳空位-Ti3C2 的 PDOS。 (d, h, l, p) 具有 0、1、3、5 个碳空位的钛空位-Ti3C2 的 PDOS。
 
      相关科研成果由辽宁工业大学Wei Zhang等人于2024年发表在Energy Storage Materials（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103485）上。原文：Multi-layers hexagonal hole MXene trap constructed by carbon vacancy defect regulation strategy enables high energy density potassium-ions storage
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103485

转自《石墨烯研究》公众号