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),在能量儲存和轉化領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。其中Ti3C2TX是迄今為止研究最廣泛的MXene。但MXenes薄片之間的導電性差和片層堆疊嚴重阻礙了其電容的最大化。此外純Ti3C2TX的電容值有限,將Ti3C2TX與其它材料復合被認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復合材料,并將其作為超級電容器電極材料探究其化學性能。（1）為解決鋁層完全除去后Ti3C2TX片層堆疊的問題,并進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】：上海師范大學上海市

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【學位級別】：碩士

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基于不同存儲機制的兩種超級電容器的示意圖：（a）電化學雙電層電容器；（b）

上海師范大學碩士學位論文5納米材料（圖1.2c），也稱為單原子層石墨。石墨烯具有高達石2675m2g-1的理論比表面積，理論固有電容可以達到550Fg-1，這為雙電層超級電容器中的所有碳基材料設定了電容的上限。石墨烯具有很大的比表面積、良好的柔韌性，優(yōu)良的導電性，良好的化學和熱穩(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，石墨烯的片層結構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加強了其與金屬氧化物之間的鍵合，形成導電網(wǎng)絡便于電子傳輸，使得復合材料的循環(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）石墨烯的結構示意圖。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)生的氧化還原反應或化學吸脫附反應進行能量存儲，比電容值可達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)子傳導率高、氧化還原反應高度可逆、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，?

上海師范大學碩士學位論文9的理想材料，此外d-MXene可獨立成膜，無需粘結劑、導電劑和集流體，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，廣泛應用于透明電極、柔性屏幕、太陽能電池、可穿戴設備等。常見的成膜方法有真空抽濾、粉刷、旋轉滴涂和滾壓等（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導電薄膜的制備方法：（a）真空抽濾；（b）噴涂；（c）粉刷；（d）旋轉涂布；（e）滾壓。Figure1.4FabricationofelectricallyconductingMXenefilmsvia(a)vacuumassistedfiltration;(b)spray-coating;(c)painting;(d)spincoating;(e)rolling.1.3.2Ti3C2TX及其復合材料在電化學方向的研究應用由于二維材料導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)異的金屬導電性。此外，表面大量活性位點和優(yōu)良的力學性能符合超級電容器對電極材料的要求。因此，MXene材料憑借著導電性好、電荷相應速度快、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/面積能量密度被認為是理想的電極材料。鋰離子電池已經(jīng)廣泛應用于各種便攜式設備和儲能設備。由于現(xiàn)有商用的正負極材料的理論容量較低，難以滿足電動汽車等新興領域的發(fā)展需求。MXene的二維層狀結構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散阻力。高的電子傳導能力和快速的鋰離子擴散能力使得MXene成為非常有潛力的鋰離子電池候選電極材料[45]。文獻報道MXene材料作為鋰離子電池負極時表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能[46]�；旌铣夒娙萜髦�?


本文編號：3145796