衣芳教授JMCA综述：二维碳化钛（Ti3C2Tx MXene ）应用于超级电容器电极材料- 大数跨境

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衣芳教授JMCA综述：二维碳化钛（Ti3C2Tx MXene ）应用于超级电容器电极材料

科学材料站

2021-04-15

导读：该综述总结了Ti3C2Tx MXene应用于超级电容器材料的研究进展，重点关注其优异电化学性能及相关机理机制。

研究背景

二维碳化钛（Ti3C2Tx MXene ）应用于超级电容器电极材料

第一作者：马睿

通讯作者：衣芳*，王晓峰*

单位：中山大学，清华大学

研究背景

超级电容器由于具有充放电速率快、功率密度高、循环寿命长等优点而得到广泛应用。超级电容器的电极材料对于其性能的发挥起着至关重要的作用。

作为近年来新兴的一类二维材料，MXenes（二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物）具有独特的物理化学性质，如丰富的表面官能团、高的导电性，高的比表面积、良好的亲水性和良好的热稳定性等，已被证明是一种很有应用前景的超级电容器电极材料。

其中，Ti3C2Tx作为首先被发现的典型MXene材料，因其具有杨氏模量高、层间距大、导电性高、亲水性好、比表面积大等优点而成为目前备受关注的超级电容器电极材料研究热点之一。

本文对Ti3C2Tx基超级电容器电极材料的制备合成策略，电极微观结构，电化学性能、电荷存储机理，机械性能、优势及挑战等方面做了全面的综述。

研究背景

基于此，中山大学材料科学与工程学院衣芳教授在Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Ti3C2Tx MXene for electrode materials of supercapacitors”的综述文章。

该综述总结了Ti3C2Tx MXene应用于超级电容器材料的研究进展，重点关注其优异电化学性能及相关机理机制。对Ti3C2Tx基超级电容器电极材料的制备方法、电极结构、工作机理、电化学性能、机械性能以及优劣势等进行了系统的综述。

另外，基于近年来的研究进展，对Ti3C2Tx基超级电容器电极材料目前存在的问题、可能的解决方案以及未来的发展前景进行了阐述和总结。

图1. 本综述文章的主要内容框架。

本文要点

要点一：Ti3C2Tx的制备方法

根据刻蚀剂的不同，Ti3C2Tx的制备方法主要包括HF刻蚀法，F盐刻蚀法（LiF+HCl，FeF3+HCl，NH4HF2）以及无F刻蚀法（浓碱刻蚀法，电化学刻蚀法）等。不同制备方法有各自的优缺点。

比如，虽然HF作为刻蚀剂是制备Ti3C2Tx的一种简便方法，但在刻蚀过程中，HF是非常危险的，而且产物一般缺陷较多尺寸较小。F盐刻蚀法如LiF+HCl相对比较温和，可以产生缺陷较少、尺寸较大的薄片。但是含氟刻蚀剂会影响Ti3C2Tx比电容性能发挥。

无氟合成策略可以有效避免引入-F表面基团，从而改善Ti3C2Tx片的表面电化学性能。对于Ti3C2Tx MXene的实际应用，合适的刻蚀方法非常重要。

要点二：纯Ti3C2Tx基超级电容器电极材料

了解Ti3C2Tx电化学性能的影响因素对于制备高质量的Ti3C2Tx超级电容器电极材料有重要指导意义。从电极材料本身的角度来看，阳离子插层、表面官能团修饰、三维多孔或层状电极结构的构建等方法有利于获得高比电容。影响Ti3C2Tx电化学性能的因素主要包括：

1.在电解液方面，与碱性和中性电解液相比，H2SO4具有优异的导电性以及最小的阳离子（质子），Ti3C2Tx电极在H2SO4水溶液中获得了优异的电容。另外，有机电解液中的Ti3C2Tx电极可以获得更宽的电位窗口，从而获得更高的能量密度。

2.在官能团方面，较多的表面活性位点可以储存更多的电荷，Ti3C2Tx较低的-F端基含量和较高的-O含量（尤其是在酸性电解质中）有利于获得高的电化学性能。

3.在电极结构方面，三维多孔或层状电极结构有助于防止Ti3C2Tx纳米片的堆叠，从而扩大比表面积，获得更多有效的活性位点，进而提高电化学性能。

要点三：Ti3C2Tx基复合超级电容器电极材料

在实际应用中，为了进一步提高Ti3C2Tx基超级电容器电极的电化学性能和机械性能（机械强度、柔韧性甚至可拉伸性能等），可将Ti3C2Tx与碳材料、聚合物和金属化合物等多种材料复合而制备成为复合超级电容器电极材料。

对于Ti3C2Tx/碳复合超级电容器电极材料，可采用自组装法、逐层组装法、表面原位生长法等方法制备。在Ti3C2Tx中引入碳材料，不仅可以使电极具有更大的比表面积和更大的层间距，而且可以在高充放电速率下具有更好的电容保持能力，同时，由于两种材料表面基团之间强的相互作用，也可以带来良好的柔韧性。

对于Ti3C2Tx/导电聚合物复合超级电容器电极材料，主要是通过聚合物单体在Ti3C2Tx纳米片表面聚合等方法制备。这类复合电极通常表现出较高的比电容和优异的机械柔性，这主要得益于导电聚合物的较高赝电容及优异的柔韧性，而Ti3C2Tx良好的循环稳定性可以使得复合电极具有较好的循环寿命。

对于Ti3C2Tx/金属化合物复合超级电容器电极材料，一般采用在Ti3C2Tx片表面沉积过渡金属化合物等方法来制备。过渡金属化合物的多个化合价态所产生的优异赝电容有助于提高复合电极的比电容；同时，Ti3C2Tx优异的导电性有助于这些复合电极获得较好的倍率性能。

要点四：展望

迄今为止，Ti3C2Tx在超级电容器应用中展示出非常大的优势和实际应用潜力，但是也仍然还存着诸多挑战，比如：

目前，基于Ti3C2Tx的超级电容器电极材料仍处于起步阶段，要实现大规模的商业应用还有很长的路要走。因此，研究低成本、高产率的Ti3C2Tx电极材料制备策略、合理的电极结构设计方法等等具有重要的实际应用意义。

1. 提高Ti3C2Tx的氧化稳定性仍然是一个很大的挑战，其氧化稳定性会直接影响到电极材料电化学性能的高低。目前，低温/惰性气氛储存和表面改性等手段是解决这一问题的有效策略，研究如何更好地提高Ti3C2Tx的氧化稳定性仍然很重要。

2. 在电极结构方面，虽然Ti3C2Tx三维多孔或层状电极结构具有大的表面积和快的离子迁移率，但是过多空洞结构的存在，会使它们面临体积比电容较低的问题。在研究中应优化多孔和层状电极结构以尽量减少电容无效空间、增加电极堆积密度，从而获得较高的体积比电容。

3. 为了获得较好的机械柔性，通常会伴随着电化学性能的牺牲。因此，对于Ti3C2Tx基超级电容器电极材料在柔性电子领域的应用，可能需要更多的研究来寻求电化学性能与机械性能之间的平衡。

此外，标准化的性能指标可以带来更加高效的学术交流。因此，为了更直观和科学地比较各类Ti3C2Tx基超级电容器电极材料性能和促进相关研究进展，有必要建立更科学、更规范的测试标准和规范。

文章链接

Ti3C2Tx MXene for electrode materials of supercapacitors

https://doi.org/10.1039/D1TA00681A

通讯作者介绍

衣芳教授。

2018年8月至今在中山大学材料科学与工程学院工作。研究工作涉及柔性能源和传感方向，研究柔性能源转化和存储，柔性传感材料和器件等。近年来发表高水平SCI论文多篇，包括Science Advances, Energy&Environmental Science, Advanced Functional Materials, Advanced Science, Nature Communications, ACS Nano, Nano Energy, Chemical Society Reviews等等，已申请国家发明专利十余项，其中已授权多项。

课题组介绍

课题组研究方向主要包括柔性能源转化和存储，柔性传感材料和器件等。

课题组招聘

课题组现诚聘博士后和专职科研人员，有意者请发简历至衣芳教授邮箱。招聘详情可见网址

http://mse.sysu.edu.cn/node/2072。