二維(2D)過(guò)渡金屬碳/氮化合物(MXene)和石墨烯是目前流行的儲(chǔ)能材料。然而，這些二維材料因?yàn)槠湟子谧远询B，其電化學(xué)性能和應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。本文通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法成功地自組裝了硫氮摻雜還原氧化石墨烯和MXene (S,N-rGO@MXene)的三維(3D)雜化多孔氣凝膠。MXene的還原性質(zhì)調(diào)整了rGO的親水性,從而形成了一個(gè)可控的3D相互交聯(lián)rGO / MXene。元素S和N的加入進(jìn)一步提高了其電化學(xué)性能。在電流密度為1 A g
−1時(shí)，采用S,N-rGO@MXene組裝的對(duì)稱(chēng)液態(tài)和全固態(tài)超級(jí)電容器的比電容分別為85.4和88.9 F g
−1。值得注意的是，在充放電循環(huán)2萬(wàn)次和1萬(wàn)次后，電容保持率和庫(kù)侖效率在各自系統(tǒng)中幾乎沒(méi)有變化。特別是，在功率密度為1400.6 W kg
−1時(shí)，全固態(tài)超級(jí)電容器的能量密度達(dá)到了24.2 Wh kg
−1，超過(guò)了迄今為止報(bào)道的大多數(shù)基于MXene的全固態(tài)超級(jí)電容器。在實(shí)際應(yīng)用中，所述超級(jí)電容器適用于LED燈的照明。我們的自組裝3D氣凝膠為高效對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器的制造提供了有價(jià)值的參考。
圖1. (a)S,N-rGO(插圖顯示其強(qiáng)度)、(b)Ti
3C
2T
x MXene、(c)S,N-rGO@MXene的SEM圖片；(d)直徑1.5 cm的S, N-rGO@MXene氣凝膠上承受壓重為300 g的光學(xué)照片;(e, f) S,N-rGO@MXene的TEM圖像。
圖2. S,N-rGO@MXene和S,N-rGO的(a) XRD光譜和(b)拉曼光譜。
圖3. (a) S,N-rGO和S,N-rGO@MXene的XPS測(cè)量光譜和S,N-rGO和S,N-rGO@MXene的(b)O 1s、(c)N 1s和(d) S 2p高分辨率XPS光譜。
圖4. 2-電極結(jié)構(gòu)的液態(tài)對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器和電解液(6 M KOH)的電化學(xué)性能。(a)掃描速率為5 mV s
−1時(shí)的CV曲線(xiàn)，(b)電流密度為1 A g
−1時(shí)的GCD曲線(xiàn)，(c) Nyquist曲線(xiàn)和高頻區(qū)放大圖，(d)基于S,N-rGO@MXene和S,N-rGO的對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器的Bode曲線(xiàn)，(e)S,N-rGO@MXene超級(jí)電容器20,000次循環(huán)后的電容保持率和庫(kù)侖效率。
圖5. 基于S,N-rGO@MXene的對(duì)稱(chēng)全固態(tài)超級(jí)電容器的電化學(xué)性能評(píng)估。(a)不同掃描速率時(shí)的CV曲線(xiàn),(b)不同電流密度時(shí)的GCD曲線(xiàn),(c) Ragone圖,(d) Nyquist圖，高頻區(qū)域和擬合電路模型放大圖(插圖),(e)10000次循環(huán)后的電容保持率和庫(kù)侖效率,自放電曲線(xiàn)和四個(gè)全固態(tài)超級(jí)電容器串聯(lián)的LED照明設(shè)備的圖片 (插圖)。
相關(guān)研究成果由遼寧科技大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換功能材料課題組Xuanli Liu等人于2021年發(fā)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。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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