辽宁科技大学化学工程学院–自组装S,N共掺杂还原氧化石墨烯/MXene气凝胶用于对称液体超级电容器和全固态超级电容器

二维(2D)过渡金属碳/氮化合物(MXene)和石墨烯是目前流行的储能材料。然而，这些二维材料因为其易于自堆叠，其电化学性能和应用受到严重限制。本文通过简单的水热法成功地自组装了硫氮掺杂还原氧化石墨烯和MXene (S,N-rGO@MXene)的三维(3D)杂化多孔气凝胶。MXene的还原性质调整了rGO的亲水性,从而形成了一个可控的3D相互交联rGO / MXene。元素S和N的加入进一步提高了其电化学性能。在电流密度为1 A g⁻¹时，采用S,N-rGO@MXene组装的对称液态和全固态超级电容器的比电容分别为85.4和88.9 F g⁻¹。值得注意的是，在充放电循环2万次和1万次后，电容保持率和库仑效率在各自系统中几乎没有变化。特别是，在功率密度为1400.6 W kg⁻¹时，全固态超级电容器的能量密度达到了24.2 Wh kg⁻¹，超过了迄今为止报道的大多数基于MXene的全固态超级电容器。在实际应用中，所述超级电容器适用于LED灯的照明。我们的自组装3D气凝胶为高效对称超级电容器的制造提供了有价值的参考。

图1. (a)S,N-rGO(插图显示其强度)、(b)Ti₃C₂T_x MXene、(c)S,N-rGO@MXene的SEM图片；(d)直径1.5 cm的S, N-rGO@MXene气凝胶上承受压重为300 g的光学照片;(e, f) S,N-rGO@MXene的TEM图像。

图2. S,N-rGO@MXene和S,N-rGO的(a) XRD光谱和(b)拉曼光谱。

图3. (a) S,N-rGO和S,N-rGO@MXene的XPS测量光谱和S,N-rGO和S,N-rGO@MXene的(b)O 1s、(c)N 1s和(d) S 2p高分辨率XPS光谱。

图4. 2-电极结构的液态对称超级电容器和电解液(6 M KOH)的电化学性能。(a)扫描速率为5 mV s⁻¹时的CV曲线，(b)电流密度为1 A g⁻¹时的GCD曲线，(c) Nyquist曲线和高频区放大图，(d)基于S,N-rGO@MXene和S,N-rGO的对称超级电容器的Bode曲线，(e)S,N-rGO@MXene超级电容器20,000次循环后的电容保持率和库仑效率。

图5. 基于S,N-rGO@MXene的对称全固态超级电容器的电化学性能评估。(a)不同扫描速率时的CV曲线,(b)不同电流密度时的GCD曲线,(c) Ragone图,(d) Nyquist图，高频区域和拟合电路模型放大图(插图),(e)10000次循环后的电容保持率和库仑效率,自放电曲线和四个全固态超级电容器串联的LED照明设备的图片 (插图)。

相关研究成果由辽宁科技大学化学工程学院电化学能量转换功能材料课题组Xuanli Liu等人于2021年发表在Journal of Power Sources (https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230682)上。原文：Self-assembled S,N co-doped reduced graphene oxide/MXene aerogel for both symmetric liquid- and all-solid-state supercapacitors。