开发具有超稳定离子纳米通道和低曲折度的柔性 MXene 基电极对于长期可穿戴电子设备而言仍然是一项艰巨的挑战。本文介绍了一种氢键增强多孔 MXene (HC-HMXene) 电极，具有最大离子可及性、优化的离子传输路径和超稳定离子纳米通道。具体而言，在 HMXene 薄膜中引入平面介孔、减小横向尺寸和增加层间距这三种作用显著提高了电解质渗透效率并缩短了电极的离子传输路径（导致曲折度降低了 78.7 倍）。因此，与具有相同 MXene 质量负载的紧密堆叠薄膜电极相比，构建的 HC-HMXene 电极的扩散系数高 41.1 倍，比电容高 2.3 倍。此外，在MXene层间引入芳纶纳米纤维作为联锁剂，通过氢键作用将纳米片连接在一起，显著提高了离子通道的稳定性。因此，HC-HMXene薄膜在水介质中有效抵抗溶胀行为并保持良好的结构稳定性。此外，以HC-HMXene为基础的锌离子微电容器为动力的柔性传感集成系统在实时监测人体生理特征方面表现出良好的应用前景。
 
 
图 1. a HC-HMXene 膜相对于 MXene 膜的具体优势示意图。b MXene 与 ANF 之间氢键形成的原子结构和差异电荷示意图。c 浸泡过程中 MXene 和 HC-HMXene 浸没的微观受力示意图。d MXene 和 e HMXene 上不同位置的差异电荷图。f 不同位置 Zn2+ 吸附能汇总。g 使用 COMSOL 软件模拟原始 MXene 和 HMXene 中的离子传输通量。h 从模拟中得出的摩尔流速和净电流。


 
图 2. a 制造 HC-HMXene 复合膜和组装 ZIMC 所涉及过程的示意图。b MAX 和 MXene 的 HAADF-STEM 图像。c MXene 和 d HMXene 的 SEM 图像；插图显示相应的横向尺寸分布。e HMXene 纳米片的 HAADF-STEM 图像；插图显示孔尺寸分布。f MXene 和 g HMXene 的 TEM 图像；插图显示 SAED 图案。h 多孔纳米片的高倍 HAADF-STEM 图像，橙色箭头标记空位。i HMXene 纳米片的 HAADF-STEM 图像和 EDS 映射。j ANF 纳米纤维的 TEM 图像。
 
 
图3. a-d 不同 MXene 基材料的光学图像和廷德尔效应。e-h 不同 MXene 基薄膜的横截面 SEM 图像。i MXene 和 HC-HMXene 的氮吸附-解吸等温线和 j 孔径分布。k 不同 MXene 基薄膜和 MAX 粉末的 XRD 图案。l ANF 和不同 HMXene 基薄膜的 FTIR 光谱。m 耦合范德华引力和静电排斥的总力随层间距离变化的示意图。n 从 XRD 图案获得的 MXene 和 HC-HMXene 膜在水溶液中的离子纳米通道的稳定性比较。将湿样品浸泡在去离子水中 0.5 小时后进行测量。o 浸泡前后 MXene 和 HC-HMXene 薄膜稳定性的数字图像。
 
 
  
图 4. a 拉伸应力-应变曲线，b 不同 MXene 基薄膜的拉伸强度和 c 韧性。d ZIMC 在充电过程中的工作机制以及放电过程中 Zn2+ 插入的 iDPC 和 HADDF 图。e 不同 MXene 基 ZIMC 的 CV 和 f GCD 曲线。g-h HC-HMXene 和 MXene 基 ZIMC 的奈奎斯特图和相应扩散系数的计算。i Ä 计算示意图。j 我们的 ZIMC 的 Ragone 图与文献中报道的其他器件的 Ragone 图进行了比较。
 
  
图 5. a-b 单个、并联和串联 ZIMC 的 CV 和 GCD 曲线；插图显示了带有 ZIMC 的并联和串联电路的照片。c 不同弯曲角度下的 ZIMC 的 GCD 和 d CV 曲线。e 低自放电机制原理的示意图。f 使用 GCD 和开路电压测试获得的 24 小时自放电电阻。g 电路和 h 集成传感系统的示意图。传感装置的输出电流信号对应于 i 快速手指敲击、j 缓慢手指按压和 k 周期性加载-卸载 a 重物。
 
        相关科研成果由安徽大学Yang Yue, Siliang Wang, Li Wen等于2024年发表在Energy Storage Materials（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103829）上。原文：Hyperstable Low-tortuosity Fast Ion Nanochannels for MXene Electrodes
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103829

转自《石墨烯研究》公众号