成果简介
为了提高超级电容器（SC）的能量密度极限，开发异质结构复合材料的策略是可行的。目前，具有良好物理化学特性的 MXenes 已被誉为储能系统的理想电极材料。本文，滁州职业技术学院Dashu Yina等研究人员在《New J. Chem》期刊发表名为“3D Hierarchical Ti3C2TX@NiCo2S4-RGO heterostructure hydrogel as free-standing electrodes for high-performance supercapacitors”的论文，研究提出通过静电组装，将带负电荷的 NiCo2S4 纳米花均匀锚定在带正电荷的 Ti3C2TX 基底表面，形成分层 Ti3C2TX@NiCo2S4 异质结构，然后通过水热氧化石墨烯（GO）-凝胶化自融合工艺在低温下将异质结构组装成三维多孔水凝胶。
与 Ti3C2TX-RGO 水凝胶（155.5 F g-1）相比，由此产生的三维分层 Ti3C2TX@NiCo2S4-还原氧化石墨烯（RGO）异质结构水凝胶在1Ag-1 的条件下显示出717.1Fg-1的超高比电容。因此，异质结构水凝胶被用作电极来构建SC器件，该器件具有高能量密度（在 300.1 W kg-1 条件下为 73.86 Wh kg-1，在 7111.7 W kg-1 条件下为 42.97 Wh kg-1）和显著的循环稳定性（在 10 A g-1 条件下循环 10,000 次后电容保持率为 98.5%）。这项研究凸显了基于三维 MXenes 的异质结构水凝胶作为电池电极材料的独特潜力。
图文导读
方案1 Ti3C2TX@NiCo2S4-RGO水凝胶制备示意图。
图1 (a, b) Ti3C2TX， (c, d) NiCo2S4和(e, f) Ti3C2TX@NiCo2S4异质结构的SEM图像
图2、 (a) Ti3C2TX， (b) Ti3C2TX@NiCo2S4的TEM图像。(c) Ti3C2TX@NiCo2S4的HRTEM图像，比例尺为5 nm。插入的是相应的SAED模式。(d-i) Ti3C2TX@NiCo2S4异质结构的EDX图，对应异质结构中C、Ti、S、Co和Ni的元素图。
图3 、(a) Ti3C2TX和Ti3C2TX@NiCo2S4的XRD图谱。(b) Ti3C2TX和Ti3C2TX@NiCo2S4的XPS宽谱分析。(c) c 1s， (d) Ti 2p， (e) S 2p， (f) Co 2p， (g) Ni 2p电子的高分辨率扫描。(h) Ti3C2TX@NiCo2S4粉末和(i) Ti3C2TX@NiCo2S4-RGO水凝胶的典型N2吸附-解吸等温线。
图4 、Ti3C2TX@NiCo2S4粉末(a)和Ti3C2TX@NiCo2S4-RGO水凝胶(b)的HRTEM图像。Ti3C2TX@NiCo2S4粉末(c)和Ti3C2TX@NiCo2S4-RGO水凝胶(d)的XRD图谱。
图5 、Ti3C2TX-RGO与Ti3C2TX@NiCo2S4-RGO水凝胶在三电极体系中的电化学性能比较
图6、对称SC器件的电化学性能
小结
综上所述，通过简单的多步骤策略制备了三维分层Ti3C2TX@NiCo2S4-RGO异质结构水凝胶。将高电容NiCo2S4均匀沉积在高导电性Ti3C2TX表面，形成一个面对面的接触框架，可以缩短充放电过程中离子的扩散长度。此外，三维多孔结构显著地防止了Ti3C2TX@NiCo2S4-RGO的团聚，从而获得了良好的电化学性能，在1 A g−1时具有717.1 F g−1的超高比电容和优异的倍率能力(10 A g−1时为74.5%)。异质结构和三维水凝胶构型是设计理想的SCs电极材料的关键，可以同时提供高能量密度和功率密度。
此外，还组装了独立的 Ti3C2TX@NiCo2S4-RGO//Ti3C2TX@NiCo2S4-RGO SC 器件，并在功率密度为 300.1 W kg-1 时显示出 73.86 Wh kg-1 的最大能量密度（甚至在 7111.7 W kg-1 时还能保持 42.97 Wh kg-1 的能量密度）和出色的循环性能，在 10 A g-1 的条件下循环 10000 次，电容保持率高达 98.5%。我们的工作为合成基于 MXenes 的高能量密度 SC 水凝胶铺平了一条有效的道路。
文献：https://doi.org/10.1039/D3NJ05930H
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