广西大学徐帅凯副教授EnSM：高比能、高倍率厚MXene电极中离子输运特性的研究

作者：徐帅凯，黎裕冰，全坤华，尉国栋，莫唐明，黄丹，黄海富，梁先庆，杨亚

通讯作者：徐帅凯*，杨亚*，尉国栋*

单位：广西大学，中国科学院北京纳米能源与系统研究所，陕西科技大学

近日，广西大学徐帅凯副教授、中科院北京纳米所杨亚研究员、陕西科技大学尉国栋教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Facilitating ion transport in porous chemically bonded black phosphorene/MXene heterostructured films for flexible high-rate supercapacitors”的文章。通过静电自组装与热发泡工艺相结合，制备了S/N杂原子修饰的多孔BP/Ti₃C₂Tx异质结构薄膜。所制备的多孔异质结构薄膜厚度不仅达到甚至超过工业标准，作为超级电容器电极材料能够显著提升比电容，并展现出优异的倍率性能以及高的能量密度和功率密度。

通过一种简便的静电组装方法，结合真空过滤和热发泡工艺，制备了S/N杂原子修饰的多孔BP/Ti₃C₂Tx（S-N-BP/MXene）异质结构薄膜。

制备单层或少层的纳米片对于形成均匀的层状异质结构至关重要，因为单层纳米片的结合能够更均匀地形成层状异质结构。为此制备的平均厚度约为1.2 nm的Ti₃C₂Tx纳米片以及平均厚度约为0.9 nm的BP纳米片。由BP、MXene静电自组装获得的异质结构薄膜中，BP纳米片与Ti₃C₂Tx纳米片的单层厚度有助于增强两组分之间的界面相互作用及层间离子/电子传输，BP能够通过与MXene表面的含氧官能团进行键合形成P-O键，这种化学结合有利于高效的电荷转移与形成更稳定的结构。在热发泡处理后，发泡剂的分解能够促使电极薄膜形成一个三维互联的多孔网络，并随着BP含量的增加，薄膜孔结构逐渐变得更加开放和发达，同时薄膜的孔隙率和孔径也均有所增加，相比于原始MXene薄膜的致密堆叠结构，这种相互连接的多孔结构更有利于电解质的快速输运。此外，发泡剂的热分解产生的气体还能够作为S、N源，实现对MXene电极的杂原子修饰，增加其氧化还原活性位点，进一步提升MXene电极的电化学活性。

图4. 电极材料的结构信息

循环伏安法测试中能够观察到两对明显的氧化还原峰，其中位于-0.9 ~ -0.7V的较宽的峰，可归因于MXene自身的赝电容行为。而一对新的位于-0.7~-0.5V的较窄的峰，归因于BP表面发生的氧化还原反应。虽然原始BP电化学活性较低，但通过与MXene纳米片形成Ti-O-P键，可以形成具有电化学氧化还原活性的位点。这种化学结合提供的新的活性位点增强了S-N-PMX薄膜的电化学性能。并且S、N杂原子的掺杂也进一步提供大量氧化还原活性位点，进而使自组装的多孔S-N-BP/Ti₃C₂Tx异质结构薄膜显示出显著提升的电容性能。此外，S-N-PMX薄膜表现出了优异的速率性能，速率性能的提升可归因于三维互联多孔结构的形成，多孔结构极大的改善了离子输运通道，并允许电解质离子的快速输运到层间。同时，BP纳米片的引入能够抑制MXene纳米片的自重堆积，改善电极的层间结构，并最大化的提升了S-N-PMX薄膜的倍率性能。

为了展示制备的多孔S-N-PMX薄膜在超级电容器（SCs）中的潜在应用，我们制造了微型超级电容器（MSCs）。将S-N-20PMX薄膜涂覆在柔性PET基板上，制成叉指状MSCs。这些MSCs展示了出色的柔韧性，能够在175.0 mW g^-1的功率密度下实现4.8 mWh g^-1的能量密度，并且在7000.0 mW g^-1的功率密度下有着3.5 mWh g^-1的能量密度。同时制备的MSCs很容易实现串联和并联的集成，其串联电压与并联电容都得到了加倍，这些设计进一步表明MSCs在实际应用中的优势。

本研究通过同时结合多孔结构、异质结构和表面工程三种策略，使MXene电极材料能够应用于各种需要柔性和高倍率充放电的电能储存系统，为开发具有卓越倍率性能的MXene基超级电容器提供了一种有前景的方案。