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通過靜電自組裝法制備石墨烯復(fù)合電極材料

發(fā)布日期:2017-07-10  來源:能源學(xué)人

核心提示:MXenes一種新型二維過渡金屬碳化物或碳氮化物材料,其化學(xué)通式可用Mn+1XnTx表示,其中M指過渡族金屬,X指C或N,n一般為1-3,Tx指
 MXenes一種新型二維過渡金屬碳化物或碳氮化物材料,其化學(xué)通式可用Mn+1XnTx表示,其中M指過渡族金屬,X指C或N,n一般為1-3,Tx指表面基團(tuán)。它因具有高比表面積、高電導(dǎo)率和良好的親水性能的特點,被廣泛應(yīng)用在鋰離子電池、鈉離子電池以及超級電容器等儲能領(lǐng)域中。與石墨烯類似,MXene納米片間的聚集和堆疊是不可避免的,這嚴(yán)重影響了其電化學(xué)性能。

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圖1 MXene/rGO復(fù)合材料合成過程圖。

近期,德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授等人以帶正電荷的還原氧化石墨烯(rGO)和帶負(fù)電荷的碳化鈦MXene納米片為原材料,通過靜電自組裝法合成出MXene/rGO復(fù)合材料,作為超級電容器電極材料,表現(xiàn)出優(yōu)越的電化學(xué)性能。此成果發(fā)表在國際期刊Adv. Funct. Mater.上。

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圖2 (a)在3 M H2SO4電解質(zhì)中,掃速為20 mV/s時,MXene和MXene/rGO的CV圖;(b)M/G-5%電極在不同掃速下的CV圖;(c)M/G-5%電極的峰值電流與掃描速率(2-50 mV/s)之間的關(guān)系圖;(d)M/G-5%電極在不同電流密度下的充放電曲線圖;(e-f)MXene和MXene/rGO電極在不同掃速下的質(zhì)量比電容和體積比電容圖。

 

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圖3 MXene和M/G-5%電極在對稱超級電容器中不同掃速下的(a)CV圖;(b)質(zhì)量比電容圖;MXene和M/G-5%電極在對稱超級電容器中(c)質(zhì)量;(d)體積能量和功率密度圖。

M/G-5%(5%為rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料表現(xiàn)出超高的電導(dǎo)率(2261 S/cm)和密度(3.1 g/cm^3)以及優(yōu)越的電化學(xué)性能。以3 M H2SO4電解質(zhì)為電解質(zhì),運(yùn)用三電極體系檢測MXene/rGO電極的電化學(xué)性能。

在掃速2 mV/s,M/G-5%電極體積比電容高達(dá)1040 F/cm^3;在掃速100 mV/s 和1 V/s下,體積比電容為777和634 F/cm^3,體現(xiàn)了良好的倍率性能。為了檢測M/G-5%電極在實際應(yīng)用中的性能,將其應(yīng)用在對稱超級電容器中,表現(xiàn)出超高的體積比能量密度32.6 Wh/L。

作者在文中解釋了MXene/rGO電極具有如此良好電化學(xué)性能的原因:

(1)在MXene層之間插入rGO納米片不僅可以有效地抑制MXene層間的堆疊,而且可以增大MXene的層間距形成良好對齊的交替排列結(jié)構(gòu)。這有利于電解質(zhì)離子的快速擴(kuò)散和運(yùn)輸,提高M(jìn)Xene的電化學(xué)利用率和倍率性能;

(2)良好的電導(dǎo)率有利于充放電過程中離子快速轉(zhuǎn)移,減小內(nèi)部阻抗;

(3)高的電極密度有利于提高體積比電容。


 
關(guān)鍵詞: 石墨烯 電極材料
 
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