碳布原位生长MWCNTs/MXens纳米复合材料用于高性能柔性超级电容器- 大数跨境

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碳布原位生长MWCNTs/MXens纳米复合材料用于高性能柔性超级电容器

科学材料站

2020-06-07

导读：本文作者报道了一种新的合成策略，用于在MXene颗粒上原位生长MWCNTs。这是首次用二元金属催化MWCNT在MXene表面均匀原位生长的实验，有助于抑制MWCNT的再堵塞，解决MXene中的粒子内和

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导读

二维钛碳化物和氮化物（MXenes）由于具有较大的表面积体积比，已成为一种很有前途的储能材料。然而，由于MXenes的各向异性性质，MXenes的层间和层间导电性差是其应用的瓶颈。此外，MXene片材的堆叠结构限制了暴露的表面积，并使电解质扩散变得复杂。

针对上述现象，汉阳大学的Min Jae Ko教授和Haiwon Lee教授等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“In Situ Grown MWCNTs/MXenes Nanocomposites on Carbon Cloth for High-Performance Flexible Supercapacitors”的文章。本文第一作者是Hui Li。

为了解决这些问题，一种独特的复合材料由均匀生长的多壁碳纳米管（MWCNTs）和碳布（CC）支撑的MXene板（称为MWCNTs）组成MXene@CC)被提出应用。

MWCTS/MXene@CC揭示了大面积剥落与优异导电性的协同组合。因此，所制备的电极在放电电流为1 mA cm^-2时具有114.58 mF cm^-2的比电容，同时在10 mA cm^-2下1.6×10⁴次循环后保持较高的保持率。这种复合结构的高性能归因于生长的MWCNTs所赋予的优异的层间和层间导电性。此外，所生长的碳纳米管还可作为MXene片材的中间柱，从而防止后者的自发崩塌。该方法可推广到其它需要同时考虑离子输运和电解质扩散的电催化剂系统。

背景简介

1.超级电容器的发展方向

近年来，便携式电子产品的数量和种类剧增，增加了对灵活和高功率密度存储系统的需求。

为此，许多具有灵活和高机械强度的轻质储能系统引起了人们的广泛关注，如金属离子电池和超级电容器（SCs）。与其他储能系统相比，SCs具有充放电速度快、功率密度高的优点，以及可靠的循环寿命。出于耐久性和安全性的考虑，SCs优选由高导电、耐腐蚀、轻质、多孔和柔性基底制成。在这一追求中，碳布（CC）已经成为一种理想的候选材料，因为它可以满足柔性SC基板所需的所有性能。不同活性材料在CC上的覆盖层存储电荷，从而对提高SCs的性能起到至关重要的作用。不同种类的活性材料，如碳材料，金属氧化物，金属硫化物，和导电聚合物已被广泛探索。这些材料通常采用无粘合剂的方法进行涂层，以确保粘合剂不会妨碍活性材料和电解质的扩散。在为高性能SCs选择合适的材料时，必须考虑特殊的表面性能、化学稳定性和导电性。为了寻找能提供所有这些特性的替代品，最近发现的二维材料MXene显示出了许多潜力。

2. MXene在高性能超级电容器的应用

MXene是最新的二维过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物系列，其化学式为M_n+1X_nT_X，其中M可以是任何早期过渡金属，X表示氮或碳，n=1-3，T表示表面官能团（例如，OH^-，O^-，F^-）。

最近，MXenes由于具有较大的理论比表面积、良好的导电性和丰富的表面官能团而受到广泛的关注。由于其金属导电性和亲水性，mxene在电化学储能装置中显示出巨大的潜力，例如锂离子电池、锂电池、钠离子电池、和SCs。尽管如此，由于其二维结构，由于多层膜之间的范德华相互作用，MXene纳米片容易发生不可逆的再阻塞或自发崩塌。电解质离子在致密的纳米片中的扩散不足限制了MXene表面的最大利用率。由于MXenes的各向异性，破坏结构中的有限离子输运、多层膜之间以及MXene颗粒之间电子的导电性受到限制。由于空隙的形成，这种电荷电阻在厚夹层中更为明显。

Hu等人利用密度泛函理论（DFT）计算证明了这种效应，得出MXene的面内导电率至少比垂直于基面的导电率高一个数量级。此外，Lukatskaya等人证实MXene粒子之间的电荷流严重受阻。为了克服上述粒子内和粒子间的阻抗，一种被广泛接受的策略是将MXene与其他高导电材料（如石墨烯或多壁碳纳米管（MWCNTs））结合使用，由于其管状结构和突出的长径比，MWCNT是首选的候选材料；此外，它还充当可堆叠MXene板之间的间隔物，以防止它们重新阻塞。先前报道的MWCNTs与MXene片材的复合材料在制备MWCNTs时受到适当分散的限制，并且在MXene片材中产生了低程度的分层。同时，传统的碳纳米管/MXene的合成主要是基于自组装的方法，由于碳纳米管与MXene之间的弱相互作用，使得其接触电阻较高。因此，探索了一种新的原位生长MWCTNs的方法，即在不同单一过渡金属（Co，Fe，Ni）的催化下在MXene上原位生长MWCTNs。

然而，当金属纳米粒子（NPs）在高温下发生催化反应时，它们往往聚集成大颗粒。众所周知，金属颗粒的大小在很大程度上影响着碳纳米管的直径，进而决定了碳纳米管的长径比和性能。因此，必须引入物理屏障以将催化剂np彼此分离以防止烧结。迄今为止，层状双氢氧化物（LDH）被认为是催化生长CNTs的有希望的候选物。

最初由羟基配位八面体的二价阳离子被三价阳离子同构地取代，在电荷平衡阴离子存在的情况下提供正电荷层。氢键水分子也可能占据层间剩余的自由空间。LDH的合成方法更加多样，二元金属离子可以在原子水平上与可控组分分散在LDH纳米片中。经煅烧和还原后，LDHs具有良好的分散性。此外，金属颗粒的物理化学性质（如直径、成分和金属-支撑相互作用）可以通过控制煅烧和还原条件以及双金属-阳离子结合的原子比来进行调节。

核心内容

本文，作者报道了一种新的合成策略，用于在MXene颗粒上原位生长MWCNTs，并将其加载到CC基底上（称为MWCNTs），制备高性能的柔性超级电容器MXene@CC)。

这是首次用二元金属催化MWCNT在MXene表面均匀原位生长的实验，有助于抑制MWCNT的再堵塞，解决MXene中的粒子内和粒子间电荷流问题。在MXene颗粒上均匀电沉积镍铝层状双氢氧化物（Ni-Al-LDH）催化剂，保证了MWCNTs的均匀生长。然后，在700℃下，在氩气流下对催化MXene颗粒进行低压化学气相沉积（CVD）。生长的MWCNT不仅作为防止MXene膜再堵塞的间隔物，而且还作为粒子内和粒子间的电荷收集器。此外，作者还精心设计的三维互连结构有效地提高了复合电极的机械和物理化学稳定性。

由于基底的多孔性以及MWCNTs作为间隔物和电荷收集器，作者在单电极系统中实现了高比表面积、快速电解质渗透和快速电荷收集。由于这种多样性，在扫描速度分别为5mv s^-1和100mvs^-1时，所制备的电极的比电容分别为114.58mf cm^-2和78.57mfcm^-2。最后，作者获得了循环稳定性，在5 mA cm^-2下循环16000次后，高容量保持率为118%。与先前报道的制备MWCNTs和MXene复合材料的技术相比，该策略有助于提高柔性SCs的导电性、优异的性能、消除聚集和可扩展的制备。

图1. Mxene形貌表征。

文章链接:

In Situ Grown MWCNTs/MXenes Nanocomposites on Carbon Cloth for High-Performance Flexible Supercapacitors

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002739

老师简介:

Haiwon Lee 教授

Haiwon Lee教授自1993年起担任汉阳大学化学系和纳米科学技术研究所的成员。2004-2012年任汉阳大学纳米科学技术研究所所长，2013-2015年任韩国纳米技术研究会会长。1986年，他在美国休斯顿大学获得化学博士学位。他的研究重点是纳米结构器件的功能材料、纳米光刻技术、基于碳纳米管的传感器和电池电极以及微流控系统。他活跃在各种国家和国际组织中。现任韩国亚洲研究网络总裁、韩国国家工程院院士。Haiwon Lee是2008年汉阳大学HYU杰出教授奖和2016年韩国政府科学技术奖的获得者。他是亚洲科技创新论坛的创始人和组织者，也是亚洲研究网络的创始人和总裁。

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