卡尔加里大学《ACS ML》：电化学剥离石墨烯/Ti3CNTx柔性纳米复合薄膜，用于高体积电容的超级电容器

成果简介

为可穿戴和便携式电子设备开发柔性超级电容器电极的兴趣日益高涨。二维界面异质结构因其强大的结构完整性和出色的电化学兼容性而备受关注。本文，卡尔加里大学Edward P.L. Roberts等研究人员在《ACS Materials Lett》期刊发表名为“A Flexible Nanocomposite Film of Electrochemically Exfoliated Graphene @ Ti3CNTx for Supercapacitors with high Volumetric Capacitance”的论文，研究展示了一种创新的新型电极，它将 Ti3CNTx 和掺氮的电化学剥离石墨烯（N-EEG）结合在一起，用于柔性超级电容器，有效缓解了自堆叠现象，并增强了电解质离子向电活性位点的扩散。

通过优化 N-EEG 与 Ti3CNTx 的比例，实现了 331 F cm-3 的最大体积电容（电流密度为 1 mA cm-2），超过了一些已报道的基于石墨烯或 MXene 的超级电容器。这种混合电极在经过 10,000 次充放电循环后仍能保持 93% 的电容率，显示了其耐用性。对称超级电容器显示出 155 F cm-3 的体积电容和良好的稳定性，10000 次循环后电容保持率为 100%。如此出色的性能凸显了 N-EEG@Ti3CNTx 纳米复合材料在开发超级电容器方面的潜力。

图文导读

图1：(a) N-EEG@MXene 混合薄膜的合成示意图，N-EEG 和 Ti3CNTx 的微观表征图像：(b) SEM 图像，(c) Ti3CNTx 的 TEM 图像。(d) N-EEG 的 TEM 图像和 (e) SAED 图样。(f) N-EEG@Ti3CNTx 复合物的 TEM 图像。

图2. (a) Ti3CNTx MXene 和 (b) N-EEG 的 XPS 全光谱，(c) Ti3CNTx MXene 的 Ti 2p 光谱，(d) N-EEG的C1s 和 (e) N1s 光谱，以及 (f) Ti3CNTx MXene、N-EEG 和 GM73 混合物的拉曼光谱。

图3. (a) GM73 在 10 至 100 mV s-1 扫描速率下的 CV 曲线图。(b) 不同石墨烯和 MXene 混合电极的比较 CV 曲线图，它们分别是 G（黑色）、GM91（红色）、GM73（蓝色）和 GM55（绿色），在 1 M H2SO4 作为电解质的三电极系统中，扫描速率为 50 mV s-1。(c) 在 10 mV s-1 至 100 mV s-1 的扫描速率下，根据 CV 曲线比较不同石墨烯和 MXene 比例电极的体积电容。(d) 阴极和阳极峰值电流随扫描速率的变化。(e）电流与扫描速率的对数图。(f) GM 73 中表面和扩散控制的电容贡献百分比。

图4. (a) GM73 在 0.5 至 20 mA cm-2 不同电流密度下的 GCD 曲线。(b) G、GM91、GM73 和 GM55 在 2 mA cm-2 电流密度下的 GCD 曲线比较。(c) G、GM91、GM73 和 GM55 在 1 M H2SO4 中不同电流密度下的体积电容。(d) GM73 混合电极在 15 mA cm-2 电流密度下的循环性能。

图5. (a) 双电极 SSC 在 10 mV s-1 至 100 mV s-1 扫描速率下的 CV 曲线；(b) SSC 在 10 mV s-1 至 100 mV s-1 扫描速率下的体积电容；(c) SSC 在 1 至 20 mA cm-2 不同电流密度下的 GCD 曲线、 (d) SSC 在不同电流密度下的体积电容（F cm-3）和容量（mAh cm-3）；以及 (e) SSC 在 3 mA cm-2 电流密度下的循环性能。

小结

综上所述，本文成功地展示了一种简单的自组装方法，用于制备灵活、独立的 N-EEG @ Ti3CNTx MXene 混合薄膜电极，并将其应用于超级电容器。N-EEG 与 Ti3CNTx 在超级电容器中的创新集成，为进一步探索新型复合结构在储能技术中的应用提供了可能。性能的提高归功于一种排列整齐的有序结构，在这种结构中，石墨烯片与 MXene 层交错排列，以增加层间间距。使用这种两种或两种以上材料交错结构的电极，其成分会显著影响电化学性能（进而影响设备性能）。

在这项工作中，混合电极在电流密度为 1 mA cm-2 时的体积电容达到了 331 F cm-3（254 F g-1），比率达到最佳，长期循环寿命长达 10000 次，容量保持率高达 93%。与表 S1 中列出的之前报道的石墨烯/MXene 超级电容器相比，我们的工作显示了相对较高的比电容。使用这种混合材料的 SSC 的体积电容为 155 F cm-3，并且具有良好的稳定性，在 10,000 次循环后几乎没有降解。这项工作有助于开发新材料和新结构的柔性无粘结剂电极材料，这些材料具有高体积电容和良好的储能稳定性，尤其适用于使用基于 MXene/ 石墨烯的超级电容器的柔性便携设备。

文献：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c00119