徐帅凯副教授杨亚研究员ESM发表：通过分子间相互作用超声驱动纤维状MXene与石墨烯形成，用于增强非对称超级电容器的电荷存储性能- 大数跨境

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徐帅凯副教授杨亚研究员ESM发表：通过分子间相互作用超声驱动纤维状MXene与石墨烯形成，用于增强非对称超级电容器的电荷存储性能

科学材料站

2025-07-16

导读：徐帅凯副教授、杨亚研究员，ESM发表：通过分子间相互作用超声驱动纤维状MXene与石墨烯形成，用于增强非对称超级电容器的电荷存储性能

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文章信息

通过分子间相互作用超声驱动纤维状 MXene 与石墨烯形成，用于增强非对称超级电容器的电荷存储性能

第一作者：李佳敏

通讯作者：徐帅凯*，杨亚*

单位：广西大学，中国科学院北京纳米能源与系统研究所

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研究背景

非对称超级电容器（ASCs）相比对称超级电容器（SSCs）具有更宽的工作电压和更高的能量密度，因此被认为在高性能储能领域具有巨大潜力。二维纳米材料（如 MXene、石墨烯）因其独特的属性（高比表面积、优异的导电性和可调控的性能）成为构建ASCs理想的电极材料。然而，超级电容器固有的自放电问题，以及二维纳米片因范德华力作用发生的堆叠现象，导致二维纳米材料基 ASCs 面临严重的能量损耗和离子传输受限难题。现有改善方法往往忽略了离子传输效率与体积比电容之间的平衡，以及正负电极电荷存储动力学协调匹配抑制二维纳米材料基 ASCs 自放电的解决方案。针对这一挑战，本文提出利用抗坏血酸（AA）和超声驱动的表面工程技术，协同调控材料结构与表面化学性质，进而提升了 ASCs 的电荷存储性能。

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文章简介

近日，来自广西大学的徐帅凯副教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所的杨亚研究员合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为”Ultrasound-driven fibrous MXene and graphene formation via molecular interactions for asymmetric supercapacitors with enhanced charge storage”的文章。

本文提出利用抗坏血酸（AA）和超声驱动的表面工程技术，该方法发挥了双重作用：一方面，促进 Ti₃CNTx 和还原氧化石墨烯（rGO）形成一维纤维结构，并构建了具有大孔径的互联网络，有效解决了离子传输受限的问题；另一方面， AA 调控了材料表面化学性质以提高零电荷电位并抑制 ASCs 自放电行为。电化学数据表明，组装的 Ti₃CNTx -AA//GO-AA 二维纳米材料基 ASCs 的电荷存储性能显著增强，表现出19.7 mWh/g 的高能量密度和优异的倍率性能。值得注意的是，其自放电行为被有效地抑制（5000 秒后电压下降 15.53%）。本研究实现了同时优化二维纳米材料基 ASCs 离子传输和抑制自放电行为，为推动二维纳米材料基ASCs实用化提供新思路。

图1. 通过 AA 和超声驱动的纤维状 Ti₃CNTx / rGO 可促进离子传输并抑制自放电，从而用于高性能非对称超级电容器

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本文要点

要点一：抗坏血酸（AA）和超声驱动形成纤维状 Ti₃CNTx、还原氧化石墨烯（rGO）

在 AA 与超声驱动的作用下，成功将 Ti₃CNTx 和 rGO 纳米片制备成直径<5 μm的一维纤维结构（图2 a-f）。 XRD 图谱表明，Ti₃CNTx-1.5AA-20 的（002）峰相较于原始 Ti₃CNTx 向高角度偏移，表明层间距减小，可能与 AA 作用及纤维卷曲导致的层间堆叠更紧密有关（图2 g）。纤维状 Ti₃CNTx-1.5AA-20 和 rGO-2.0AA-30 薄膜的平均孔径显著大于非纤维状的 Ti₃CNTx 和 rGO （图 3b）。这种由卷曲纤维互联网络形成的更大孔径，有望在电极结构内部创造更开放的通道，从而促进电解质离子的快速扩散。X 射线光电子能谱（XPS）的高分辨率 O 1s 谱图（图 3f）为表面官能团的修饰提供了明确证据。与原始 Ti₃CNTx 相比， Ti₃CNTx-1.5AA-20 表面羟基（C-Ti-(OH)ₓ，约 531.8 eV）的峰强度显著降低。这有力地表明，抗坏血酸处理与退火处理有效去除了大部分表面羟基，而这预计会对电化学行为和自放电特性产生影响。

图2. 纤维状 Ti₃CNTx 和 rGO 的形貌与结构表征

图3. 孔隙率和表面化学表征

要点二：纤维状 Ti₃CNTx 、rGO电化学性能分析

经 AA 分子和超声驱动得到的纤维状 Ti₃CNTx 和 rGO 电极（Ti₃CNTx-1.5AA-20 和rGO-2.0AA-30），因表面羟基减少、孔隙结构优化，其电容性组装的能、倍率性能和电荷存储动力学均得到显著提升，为后续组装高性能非对称超级电容器奠定了基础。在 2 mV/s 的扫描速率下，Ti₃CNTx-1.5AA-20 的比电容高达 502 F/g（体积电容 717 F/cm³），显著高于原始 Ti₃CNTx；即使在 2000 mV/s 的高扫描速率下，仍能保持初始电容的 51%，表现出优异的倍率性能（图4 a）。

图4. 展示了 Ti₃CNTx-1.5AA-20 和 rGO-2.0AA-30 电极在三电极体系中的电化学性能

要点三：表面羟基的减少，抑制了非对称超级电容器的自放电

将 Ti₃CNTx-1.5AA-20 和 rGO-2.0AA-30 组装成非对称超级电容器（Ti₃CNTx-AA//rGO-AA）并与 Ti₃CNTx//rGO 的开路电压（OCV）衰减曲线进行比较。从计算结果来看， vCNTx-AA//rGO-AA 的电压衰减仅为初始电压的 15.53%，而 vCNTx//rGO 的电压衰减则大得多，为 35.42%（按 100% - 64.58% 计算）（图5 d）。我们将这种自放电的抑制归因于 Ti₃CNTx-1.5AA-20 电极表面羟基（-OH）基团密度的降低，正如 XPS 分析所证实的。如图 5h 所示， MXene 表面羟基基团密度越低，其功函数越高，零电荷电位（PZC）越正。在 ASC 中，尤其是当器件处于开路状态时，负极的 PZC 越高，水电解和法拉第反应的驱动力就越小，而这是导致自放电的主要因素。当Ti₃CNTx//rGO的电解质分别为 2M H₂SO₄、3M LiCl 和 2M KOH 时，经过 10,000 次循环后，电容保持率分别为 95.0%、93.2% 和 89.8%，表现出优异的长期运行稳定性。当电解质为 2M H₂SO₄ 时，该 ASC 能量密度达 19.7 mWh/g（图6f-g）。