新加坡国立大学工学院John Wang教授 ACS Nano：“BP@Ti3C2Tx MXene用于商业级电容储存- 大数跨境

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新加坡国立大学工学院John Wang教授 ACS Nano：“BP@Ti3C2Tx MXene用于商业级电容储存

科学材料站

2021-08-17

导读：本文利用化学键合设计，作者通过在粉碎的MXene薄片上原位生长BP纳米粒子，成功制备了3D多孔网络结构的BP@MXene致密膜。

文章信息

BP@Ti3C2Tx MXene用于商业级电容储存

通讯作者：John Wang*

单位：新加坡国立大学

研究背景

致密，多孔的MXene基复合电极由于其高的离子可接触面积和快速的离子传输率，在高体积容量超级电容器（SCs）中展现出特殊的应用前景。

然而，它们在很大程度上受到了倍率性能不足，电化学循环性能差以及多孔网络结构的机械稳定性差等问题的限制。黑磷（BP）由于其相对较高的电子导电率（300 S m−1）和快的离子/电子扩散特性，在SCs中展现出良好的应用前景。

此外，BP独特的褶皱片层结构和较弱的范德华层间相互作用，将有利于在循环时释放应力，从而实现高体积容量和长循环性。

文章简介

基于此，来自新加坡国立大学的John Wang教授，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Black Phosphorus@Ti3C2Tx MXene Composites with Engineered Chemical Bonds for Commercial-Level Capacitive Energy Storage”的文章。

利用化学键合设计，作者通过在粉碎的MXene薄片上原位生长BP纳米粒子，成功制备了3D多孔网络结构的BP@MXene致密膜。

在BP-MXene界面形成的强相互作用（Ti−O−P键）不仅增强了BP@MXene异质结构的原子电荷极化，实现有效的界面电子传输，同时也增强了致密多孔的3D结构，大大提高了机械稳定性。

基于此，使用BP@MXene复合薄膜实现了高体积能量密度（72.6 Wh L−1）以及长循环稳定性（50000次循环后电容保持率为90.58%）。

本文要点

要点一：BP@MXene致密膜中的3D网络为电解质离子的传输和吸收提供了所需的多孔结构，同时，由于通过结构设计在BP-MXene界面形成了Ti−O−P键的强界面相互作用有效防止MXene薄片的自堆积，并扩大了MXene层间的纳米流体通道从而增强了电极的循环稳定性。

这种结构不仅实现了高离子接触面积和快速离子传输率，提高了电化学利用率，并有助于快速的充电/放电能力。

要点二：实验结果显示，BP@MXene薄膜电极在中性Na2SO4电解液中显示了781.6 F cm−3（在2.0 mV s−1下）的体积电容和高倍率容量（电容保持率为91.2%，在1000 mV s−1时，容量为718.4 F cm−3），高于Mxene薄膜电极（452.3 F cm−3，保持率为60.9%）。

此外，具有高质量负载（15 mg cm−2）的全封装BP@Mxene SC显示出72.6 Wh L−1的高堆积体积能量密度（Evol-stack，相对于两个电极体积的体积能量密度），接近铅酸电池（50−90 Wh L−1），以及长期稳定性（50000次循环后容量保持率为90.58%）。

文章链接

Black Phosphorus@Ti3C2Tx MXene Composites with Engineered Chemical Bonds for Commercial-Level Capacitive Energy Storage”

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01817

通讯作者介绍

John Wang 教授。

新加坡国立大学材料科学与工程系教授，在功能材料和材料化学领域拥有30多年的教学和科研经验。John Wang教授目前的研究方向包括：多铁性薄膜及器件，2D材料化学，纳米结构材料在能源与环境中的应用；在国际顶级学术期刊上已发表超过400篇著作。John Wang教授曾担任新加坡国立大学材料科学与工程系主任7年（2012年06月-2019年7月），并且于2019年当选为亚太材料科学院院士，2020年科睿唯安全球高被引学者。