MXenes作為一種新型二維材料,以高表面積、優(yōu)異的物理性質(zhì),在能量儲存和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中Ti3C2TX是迄今為止研究最廣泛的MXene。但MXenes薄片之間的導(dǎo)電性差和片層堆疊嚴(yán)重阻礙了其電容的最大化。此外純Ti3C2TX的電容值有限,將Ti3C2TX與其它材料復(fù)合被認(rèn)為是一種有效提高儲能的策略�；谝陨峡紤],本論文制備了三種Ti3C2TX復(fù)合材料,并將其作為超級電容器電極材料探究其化學(xué)性能。（1）為解決鋁層完全除去后Ti3C2TX片層堆疊的問題,并進(jìn)一步提高其比表面積,采用低溫氫氧化鈉刻蝕Ti3AlC2部分保留其中鋁層。通過優(yōu)化堿刻蝕的時間,獲得了具有最優(yōu)的電化學(xué)性能的Ti3C2TX@Al-NaOH-36。在1 MH2S04電解液中,該材料在電流密度為1 A g-1時具有587 F g-1的高比電容值,在電流密度為20Ag-1時經(jīng)過6000次循環(huán)測試后,電容保持率為85.3%。此方法規(guī)避了含F(xiàn)試劑的使用,并且合理保留了鋁層,抑制了 Ti3C2TX片層的重新堆疊。此外,堿刻蝕使Ti3C2TX@Al材料表面變得粗糙,提供了更大的比表面積和更多的活性位點,使Ti3C2... 

【文章來源】：上海師范大學(xué)上海市

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

基于不同存儲機(jī)制的兩種超級電容器的示意圖：（a）電化學(xué)雙電層電容器；（b）

上海師范大學(xué)碩士學(xué)位論文5納米材料（圖1.2c），也稱為單原子層石墨。石墨烯具有高達(dá)石2675m2g-1的理論比表面積，理論固有電容可以達(dá)到550Fg-1，這為雙電層超級電容器中的所有碳基材料設(shè)定了電容的上限。石墨烯具有很大的比表面積、良好的柔韌性，優(yōu)良的導(dǎo)電性，良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及寬的電勢差窗口，是一種性能優(yōu)異的超級電容器電極材料[22，23]。且石墨烯對孔徑分布沒有特殊要求，是更適用超級電容器的電極材料。然而由于在制備石墨烯過程中片層會發(fā)生重新堆疊，使其有效面積顯著減小，導(dǎo)致材料發(fā)生不可逆的容量損失，庫倫效率低下。研究人員發(fā)現(xiàn)將石墨烯與金屬氧化物復(fù)合能有效防止石墨烯的重新堆疊同時增加了有效比表面積[24]。此外，石墨烯的片層結(jié)構(gòu)和大的比表面積為金屬氧化物納米顆粒均勻分布提供可能，從而抑制金屬氧化物的體積變化和凝聚。同時，石墨烯表面的豐富含氧官能團(tuán)加強(qiáng)了其與金屬氧化物之間的鍵合，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)便于電子傳輸，使得復(fù)合材料的循環(huán)性能、倍率性能、功率密度和能量密度均有明顯提高[25]。為石墨烯與其他材料復(fù)合提供新的思路。圖1.2（a）活性炭；（b）碳納米管和（c）石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖。Fig.1.2Schematicof(a)activatedcarbon;(b)carbonnanotubeand(c)graphene.1.2.3.2金屬氧化物電極金屬氧化物是典型的贗電容電極材料，通過電極、電解液界面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)或化學(xué)吸脫附反應(yīng)進(jìn)行能量存儲，比電容值可達(dá)雙電層電容器電極材料的10-100倍，目前研究較多的金屬氧化物有RuO2、CoO3和MnO2等。其中RuO2具有1000Fg-1的高比電容被廣泛研究。此外，RuO2還具有電勢窗口寬、質(zhì)子傳導(dǎo)率高、氧化還原反應(yīng)高度可逆、長循環(huán)壽命和高倍率性能優(yōu)點成為理想的贗電容電極材料。然而釕屬于貴金屬，?

上海師范大學(xué)碩士學(xué)位論文9的理想材料，此外d-MXene可獨立成膜，無需粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和集流體，從而具有更高的體積比電容和體積能量密度。成膜后的MXene材料具有良好的柔韌性，廣泛應(yīng)用于透明電極、柔性屏幕、太陽能電池、可穿戴設(shè)備等。常見的成膜方法有真空抽濾、粉刷、旋轉(zhuǎn)滴涂和滾壓等（圖1.4）[43]。不同方法制備出的MXene薄膜性能不同，真空抽濾和滾壓法往往適合制備電池和超級電容器。圖1.4MXene導(dǎo)電薄膜的制備方法：（a）真空抽濾；（b）噴涂；（c）粉刷；（d）旋轉(zhuǎn)涂布；（e）滾壓。Figure1.4FabricationofelectricallyconductingMXenefilmsvia(a)vacuumassistedfiltration;(b)spray-coating;(c)painting;(d)spincoating;(e)rolling.1.3.2Ti3C2TX及其復(fù)合材料在電化學(xué)方向的研究應(yīng)用由于二維材料導(dǎo)電碳層和金屬層的存在，獨特的電子傳輸特性使得MXene材料表現(xiàn)出優(yōu)異的金屬導(dǎo)電性。此外，表面大量活性位點和優(yōu)良的力學(xué)性能符合超級電容器對電極材料的要求。因此，MXene材料憑借著導(dǎo)電性好、電荷相應(yīng)速度快、比表面積大，以及具有贗電容的特性高循環(huán)穩(wěn)定性[44]，尤其是MXene薄膜，具有高的體積/面積比容量和體積/面積能量密度被認(rèn)為是理想的電極材料。鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種便攜式設(shè)備和儲能設(shè)備。由于現(xiàn)有商用的正負(fù)極材料的理論容量較低，難以滿足電動汽車等新興領(lǐng)域的發(fā)展需求。MXene的二維層狀結(jié)構(gòu)和表面金屬活性位點為鋰離子的儲存和傳輸提供了豐富的空間通道。理論計算表明，未功能化的MXene材料表現(xiàn)出比石墨更低的鋰離子擴(kuò)散阻力。高的電子傳導(dǎo)能力和快速的鋰離子擴(kuò)散能力使得MXene成為非常有潛力的鋰離子電池候選電極材料[45]。文獻(xiàn)報道MXene材料作為鋰離子電池負(fù)極時表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能[46]�；旌铣夒娙萜髦�?


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