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导读
有序和多孔的三维（3D）电极的批量生产是实际储能设备的关键前提。MXenes 作为具有优异的导电性和表面氧化还原反应的拟电容材料，已受到了广泛的关注，但在实现3D多孔结构（尤其是在高质量负载下）方面仍面临挑战。
基于以上现状，浙江大学薄拯教授等在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“High-mass-loading porous Ti3C2Tx films for ultrahigh-rate pseudocapacitors”的论文。Jing Kong、Huachao Yang为本文共同第一作者。
图1.图片概要
在本文中，作者提出了一种通过层间相互作用工程减少排斥的冻结浇铸装配概念，以构造3D多孔Ti3C2Tx膜，其中通过较少的负电性官能团和基于量子计算的电荷屏蔽效应，使层间排斥最小化。3D-Ti3C2Tx薄膜在10 V s-1下的电容为207.9 F g-1，显示了58.6%的电容保持率，扫描速率提高了1000倍。电容性能几乎与膜质量负载无关，最高达16.18 mg cm-2，表现出3731 mF cm-2的超高面电容和336.7μWh cm-2的能量密度。
背景简介
1、二维（2D）纳米材料
二维纳米材料由于其优异的物理化学性质，如高的机械柔韧性、优异的电子导电性、大的比表面积和化学可调性，正逐渐成为电化学储能系统中电极材料的首选。然而，当组装成电极时，孤立的二维纳米片往往不受控制地无序堆积，导致活性表面减少，离子迁移距离延长，离子迁移动力学缓慢。当储能性能意外下降经常被观测到时，在较高的电极质量负载下，这一问题会加剧。此外，在高负荷下保持高性能对相对较新的二维材料MXenes来说尤其具有挑战性。
使用层间间隔层是缓解二维材料聚集和再堵塞的一种常用方法，但取得的成功有限。另一方面，直接将二维纳米片集成到三维多孔框架中有望解决聚集问题。然而，传统牺牲模板的去除通常涉及有毒溶剂（如聚苯乙烯颗粒为甲苯）或高温（如聚甲基丙烯酸甲酯微球为400~500°C），这是一种复杂且不利于环境的方法。
2、冷冻铸造法
冷冻铸造是一种多用途、廉价、环保的三维多孔结构制备方法。它被广泛应用于合成各种多孔陶瓷、金属、聚合物和复合材料。该方法涉及冷冻过程中的相分离和冷冻溶剂晶体之间的分散颗粒组装，然后在减压下升华固化溶剂的过程，摘要采用冷铸法将部分还原氧化石墨烯（GO）纳米片组装成高功率密度超级电容器电极用三维多孔薄膜。
核心内容
在这里，作者介绍了减少排斥冷冻铸造组件（RRFCA）的概念，用于通过设计层间相互作用来生产有序3D多孔MXene体系结构。在密度泛函计算和电荷屏蔽效应的基础上，在Ti3C2Tx悬浮液中加入KOH溶液，以减弱官能团的电负性，屏蔽负表面电荷，同时考虑降低层间静电斥力。因此，在不添加其它凝胶剂的情况下，采用冷冻铸造方法可以制备出三维多孔Ti3C2Tx薄膜，有利于充放电过程中的快速离子和电子输运。扫描速率从10 mV s-1增加到10000 mV s-1时，多孔Ti3C2Tx结构具有58.6%的电容保持率，。此外，这种多孔电极可以被缩放到16.18 mg cm-2的实际质量负载水平，显示出巨大的储能潜力。
图二. 材料合成与表征
(a) Comparison between conventional freeze-casting and RRFCA processes. Typical cross-sectional SEM images of (b) randomly-aligned Ti3C2Tx film and (c) ordered porous Ti3C2Tx film with a mass loading of 1.03 mg cm−2. Inset in (c) is a photograph showing the flexible porous Ti3C2Tx film. Cross-sectional SEM images of 3D porous Ti3C2Tx films with mass loadings of (d) 0.53, (e) 5.14, (f) 10.32 and (g) 16.18 mg cm−2. Inset in (g) is the partial enlarged view under higher magnification.
文章链接:
High-mass-loading porous Ti3C2Tx films for ultrahigh-rate pseudocapacitors
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00704老师简介:
薄拯 教授 博士生导师
入选教育部青年长江学者、国家万人计划青年拔尖人才，获国家优秀青年科学基金、英国皇家学会牛顿高级学者基金（Royal Society-Newton Advanced Fellowship）资助。
现任能源清洁利用国家重点实验室副主任，浙江大学工程师学院动力工程中心主任。中国青年科技工作者协会第六届理事会理事，浙江省青年高层次人才协会副主席，浙江省工程热物理学会副理事长，浙江省电力学会科普与教育委员会副主任委员，浙江省青联委员。美国国家自然科学基金/能源部项目评审专家。国际学术期刊任职：Nano-Micro Letters （SCI）编委、Scientific Reports （SCI）编委、ES Energy & Environment编委，Waste Disposal & Sustainable Energy执行编辑。
致力于纳米尺度界面热力学与动力学基础研究，以及相关的超级电容储能和太阳能光热转换等技术研发和产业应用。成果发表于Chemical Society Reviews，Energy & Environmental Science，International Journal of Heat & Mass Transfer，Applied Thermal Engineering，Nano Energy，Advanced Materials，ACS Nano等期刊，SCI他引2700余次（他引源包括Nature在内的290余钟国际学术期刊），7篇入选ESI高被引论文，8篇被选为期刊封面、扉页或封底。与美国学者合著英文专著一部（Springer出版社）。授权美国发明专利1项，中国发明专利22项。赴美国环保署作邀请报告1次，作国际系列学术会议主旨报告3次、特邀报告6次，任第二届金砖国家青年科学家会议（科技部）大会主席。作为主要获奖成员获国家科技进步奖（创新团队）。曾获国家教学成果二等奖、全国优秀博士学位论文奖、首届中国动力工程学会青年科技奖、浙江省科学技术进步一等奖、浙江省教学成果一等奖、浙江省有突出贡献青年科技人才、浙江青年五四奖章。求学期间曾获全国大学生节能减排大赛特等奖、浙江大学竺可桢奖学金等。
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