通过静电自组装法制备石墨烯复合电极材料

MXenes一种新型二维过渡金属碳化物或碳氮化物材料，其化学通式可用Mn+1XnTx表示，其中M指过渡族金属，X指C或N，n一般为1-3，Tx指表面基团。它因具有高比表面积、高电导率和良好的亲水性能的特点，被广泛应用在锂离子电池、钠离子电池以及超级电容器等储能领域中。与石墨烯类似，MXene纳米片间的聚集和堆叠是不可避免的，这严重影响了其电化学性能。图1 MXene/rGO复合材料合成过程图。近期，德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授等人以带正电荷的还原氧化石墨烯(rGO)和带负电荷的碳化钛MXene纳米片为原材料，通过静电自组装法合成出MXene/rGO复合材料，作为超级电容器电极材料，表现出优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊Adv. Funct. Mater.上。图2 (a)在3 M H2SO4电解质中，扫速为20 mV/s时，MXene和MXene/rGO的CV图；(b)M/G-5%电极在不同扫速下的CV图；(c)M/G-5%电极的峰值电流与扫描速率(2-50 mV/s)之间的关系图；(d)M/G-5%电极在不同电流密度下的充放电曲线图；(e-f)MXene和MXene/rGO电极在不同扫速下的质量比电容和体积比电容图。图3 MXene和M/G-5%电极在对称超级电容器中不同扫速下的(a)CV图；(b)质量比电容图；MXene和M/G-5%电极在对称超级电容器中(c)质量；(d)体积能量和功率密度图。M/G-5%(5%为rGO的质量分数)复合材料表现出超高的电导率(2261 S/cm)和密度(3.1 g/cm^3)以及优越的电化学性能。以3 M H2SO4电解质为电解质，运用三电极体系检测MXene/rGO电极的电化学性能。在扫速2 mV/s，M/G-5%电极体积比电容高达1040 F/cm^3；在扫速100 mV/s 和1 V/s下，体积比电容为777和634 F/cm^3，体现了良好的倍率性能。为了检测M/G-5%电极在实际应用中的性能，将其应用在对称超级电容器中，表现出超高的体积比能量密度32.6 Wh/L。作者在文中解释了MXene/rGO电极具有如此良好电化学性能的原因：(1)在MXene层之间插入rGO纳米片不仅可以有效地抑制MXene层间的堆叠，而且可以增大MXene的层间距形成良好对齐的交替排列结构。这有利于电解质离子的快速扩散和运输，提高MXene的电化学利用率和倍率性能；(2)良好的电导率有利于充放电过程中离子快速转移，减小内部阻抗；(3)高的电极密度有利于提高体积比电容。