成果简介
由于具有优异的导电性和氧化还原活性，MXene纳米片是最有前途的超级电容器电极材料之一。然而，由于MXene纳米片容易重新堆积，特别是在高负载的情况下，如何平衡MXene纳米片的高容量和速率性能仍然是一个巨大的挑战。本文，中北大学Li Guo、王延忠 副教授等研究人员在《Electrochimica Acta》期刊发表名为“Fabrication of 3D MXene@graphene hydrogel with high ion accessibility via Al-induced self-assembly and reduction for high-performance supercapacitors”的论文，研究通过铝诱导MXene和GO纳米片的自组装，设计了具有高离子亲和性的三维MXene@石墨烯（MXene@rGO）水凝胶。
以微量酸溶液为引发剂蚀刻钝化的氧化铝层并释放出Al3+离子，Al3+离子作为连接剂将纳米片组装成三维结构。同时，通过Al对GO的还原作用，进一步提高了水凝胶的机械强度。MXene@rGO水凝胶在10 mA cm-2条件下显示出4.33 F cm-2的最大面积电容，在1000 mA cm-2条件下保持1.76 F cm-2的高面积电容，电容保持率高达40.6%。值得注意的是，所构建的非对称超级电容器具有较高的循环稳定性，在100,000次循环后，电容量仅下降8.37%，具有良好的应用前景。
图文导读
图1.（a） MXene@rGO示意图，MXene、GO和Al混合物的数字照片（b）加入酸前，（c）加入酸后，（d）不同尺寸的MXene@rGO-Al水凝胶的数字照片，以及（e）重量低于5克的水凝胶的数字照片。
图2. (a)MXene@rGO-Al-7.5，(b)MXene@rGO的SEM图像，(c)MXene@rGO的EDX图谱，(d)和(e)样品的XRD，以及(f)MXene@rGO-Al-7.5 和MXene@rGO-Al3+的拉曼光谱。
图3. (a) C 1s、(b) Ti 2p、(c) O 1s和(d) Al 2p的高分辨率XPS光谱
图4 (a)30 mV s-1时的CV曲线，(b)MXene@rGO的CV曲线，(c)1000 mV s-1时的CV曲线，(d)速率表现，(e)奈奎斯特图，(f)不同扫描速率下的电容贡献比例，以及(j-i)MXene、MXene@rGO和MXene@rGO-0.5 30 mV s-1时的CV曲线中电容贡献的差异。
图5 、(a)CV曲线，(b)不同负载下MXene@rGO的GCD曲线，(c, d) MXene@rGO-15.97 mg cm-2的GCD曲线，(e)速率表现和(f)奈奎斯特图。
图 6. (a) MXene@rGO//rGO 在 30 mV s-1 不同电压窗口下的 CV 曲线，(b) MXene@rGO//rGO 在不同扫描速率下的 CV 曲线，(c) GCD 曲线，(d) 不同电流密度下的速率性能、 (g) 120,000次循环稳定性和库仑效率（插图显示前/后10圈GCD曲线），(h) ASCs实际应用的数码照片
小结
采用酸引发金属铝法成功制备了三维MXene@rGO水凝胶，其中GO和铝粉在独立水凝胶的制备过程中发挥了重要作用。制备的自立水凝胶电极在不影响速率性能的前提下获得了较高的面积电容。制备的MXene@rGO在10,000 mV s-1条件下也能表现出0.095 F cm-2的优异面积电容。值得注意的是，MXene@rGO-15.97，在高负载质量下显示出4.33 F cm-2的高面积电容，在100 mA cm-2时仍然保持4.06 F cm-2。更重要的是，该不对称超级电容器器件在95284 μW cm-2的高功率密度下显示出70.18 μWh cm-2的高面积能量密度。经过100,000次循环后，电容仅衰减了初始电容的8.37%，表明三维MXene@rGO凝胶在高性能超级电容器方面具有无可比拟的应用潜力。
文献：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2023.142892
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