北京化工大学材料与化学学院–锚定在Ti3C2Tx MXene/rGO气凝胶上的Fe3O4纳米粒子作为高级超级电容器的混合负电极

合理设计具有高能量存储容量的三维混合气凝胶电极是一个挑战。本研究通过一步法成功制备了Ti₃C₂T_x/rGO/Fe₃O₄ (Fe-M/G)杂化气凝胶，该过程中同时参与了乙二胺(EDA)诱导的自组装和Fe₃O₄纳米颗粒的原位生长。由于气凝胶的三维分级多孔结构以及Fe₃O₄纳米颗粒在Ti₃C₂T_x/rGO (M/G)纳米片上的紧密锚定，Fe-M/G杂化气凝胶具有出色的电化学性能，在1 mA cm⁻²时的面积电容为1250.5 mF cm⁻²，在5000次循环后的20 mA cm⁻²时的电容保持率为85.8%。值得注意的是，当Fe-M/G作为负电极与NiCo₂O₄/rGO作为正电极时，非对称超级电容器(ASC)在1 mA cm⁻²时表现出365 mF cm⁻²的高面积电容，在30,000次循环后在20 mA cm⁻²时仍保持其初始电容的84.5%。此外，ASC器件在功率密度为802 μW cm⁻²的情况下，达到了130 μWh cm⁻²的显著能量密度。该复合气凝胶电极可能为高性能储能器件的发展铺平道路。

图1 Fe-M/G气凝胶制备工艺示意图。

图2. (a) Ti₃C₂T_x和Fe-M/G气凝胶的XRD图和(b)拉曼光谱，(c) 77 K下氮气吸附等温线，(d) M/G 9:1和Fe-M/G气凝胶对应的孔径分布。

图3 (a) Fe1-M/G气凝胶、(b) Fe2-M/G气凝胶、(c) Fe3-M/G气凝胶和(d) Fe4-M/G气凝胶的SEM图像;(e) TEM图，(f) HRTEM图，(g) Fe3-M/ g气凝胶C、O、Ti、Fe元素的EDS mapping图。

图4. Ti₃C₂T_x和Fe3-M/G气凝胶的高分辨率XPS光谱分别为(a) C 1s， (b) O 1s， (C) Ti 2p和(d) Fe 2p。

图5 (a)在- 1.1 ~ – 0.3 V的电势窗口中，5 mV s^-1的CV曲线;(b)在- 1.05 ~ – 0.35 V的电位窗口中，1 mA cm^-2的GCD曲线;(c)由GCD曲线计算出的作为放电电流密度函数的面积容量;(d) M/G 9:1和FeM/G气凝胶电极的Nyquist曲线;和(e) Fe3-M/G电极在20 A cm⁻²的循环稳定性。

图6。(a)确定不同峰值电流的b值;插图为Fe3-M/G电极相应的CV曲线。(b) 2 mV s⁻¹下的电容效应(蓝色区域)和扩散控制(白色区域)效应。(c) Fe3-M/G电极在不同扫描速率下电容和扩散控制容量的归一化贡献比例。

图7。(a) NiCo₂O₄/rGO//Fe₃-M/G超级电容器的不对称组装示意图;(b)扫描速率为20 mV s⁻¹时，不同电位窗口的CV曲线;(c)不同电流密度的GCD曲线;(d) ASC的Ragone图;(e)电流密度为20 mA cm⁻²时的循环稳定性和库仑效率。

相关科研成果由北京化工大学材料与化学学院Bin Zhao等人于2022年发表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04589)上。原文：Nanoparticles of Fe₃O₄ Anchored on Ti₃C₂T_x MXene/rGO Aerogels as Hybrid Negative Electrodes for Advanced Supercapacitors。