微型超級(jí)電容器（MSC）作為小型化便攜式/可穿戴電子產(chǎn)品的有希望的候選者而引起了極大的關(guān)注，但它們?nèi)匀淮嬖陔娀瘜W(xué)性能不理想（例如能量密度不足、倍率性能平庸）的問(wèn)題，從而阻礙了其廣泛應(yīng)用。在此，提出了一種通過(guò)縮小至量子點(diǎn)尺度、摻雜雜原子以及引入缺陷和官能團(tuán)來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)同表面和結(jié)構(gòu)工程策略來(lái)調(diào)節(jié)Ti 3 C 2 T x MXene的物理化學(xué)性質(zhì)。令人鼓舞的是，所得到的基于富缺陷氮摻雜 Ti 3 C 2 T x量子點(diǎn)（QD）的 MSC 具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，如大工作電壓（ 離子液體中 3.0 V， 水性電解質(zhì)中 1.0 V）、完美的矩形即使在 1000 V·s -1 下也能保持 CV 形狀、33.1 F·cm -3的高體積電容以及 10000 次循環(huán)后的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征和密度泛函理論計(jì)算，MSCs的卓越性能主要?dú)w功于Ti 3 C 2 T x QDs的特殊化學(xué)態(tài)以及獨(dú)特的表面和結(jié)構(gòu)特征，它提供了豐富的活性位點(diǎn)，縮短了離子擴(kuò)散途徑，促進(jìn)離子/電子傳輸，并提供增強(qiáng)的電容。該工作為高性能MSC的設(shè)計(jì)提供了新的策略，也為MXene量子點(diǎn)在其他能源相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。
圖1. (a) Ti 3 C 2 T x QDs的合成過(guò)程圖解。(b) Ti 3 C 2 T x納米片的TEM圖像。(b) 中的插圖是相應(yīng)的低分辨率 TEM 圖像。(cf) Ti 3 C 2 T x QD 不同放大倍數(shù)的 TEM 圖像。(g) 合成的Ti 3 C 2 T x QD 的EEL 光譜。(g) 中的插圖是 NK 邊緣。
圖2. (a) Ti 3 C 2 T x QDs 溶液的紫外可見(jiàn)光譜（橙色）和 PL 光譜（藍(lán)色）。(a) 中的插圖分別是 Ti 3 C 2 T x QDs 溶液在可見(jiàn)光（左）和紫外光（右）下的照片。(b) Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x納米片對(duì)應(yīng)物的 XRD 圖案。Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x納米片對(duì)應(yīng)物的 XPS 光譜：分別為（c）Ti2p，（d）C1s。(e) Ti箔、TiO 2、Ti 3 C 2 T x QD和Ti 3 C 2 T x納米片的鈦K邊緣XANES 。分別對(duì)(f) Ti 3 C 2 T x納米片、(g) Ti 3 C 2 T x QD 和(h) TiO 2進(jìn)行小波變換。(i) Ti 箔、TiO 2、Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x納米片在 R 空間中的 k2 EXAFS 的傅立葉變換。
圖3. (a) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs的 MSC 的制造過(guò)程圖示?；?Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC的叉指電極在不同放大倍率下的 SEM 圖像：（b，c）低放大倍數(shù)，（df）高放大倍數(shù)。(g) 叉指電極的橫截面 SEM 圖像。(h) 叉指電極的 SEM 圖像及其相應(yīng)的 Ti、C、N 和 O 元素映射圖像。
圖4. 基于Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 1 M KOH 電解質(zhì)中不同掃描速率下的 CV 曲線：(a) 1 V·s -1，(b) 10 V·s -1，(c) 100 V· s -1、(d)分別為1000V ·s -1。(e) 固定電勢(shì) (0.5 V) 下的陰極電流對(duì)數(shù)對(duì)掃描速率對(duì)數(shù)的依賴(lài)性 。(f) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的體積電容作為掃描速率的函數(shù)。(g) 獲得的MSC在不同恒流密度下的GCD曲線??。(h) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的奈奎斯特圖。(h) 中的插圖是相應(yīng)的部分放大奈奎斯特圖。(i) 阻抗相位角與頻率的關(guān)系圖。
圖5. (a) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 10000 次循環(huán)后的電容保持率。(b) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 與其他報(bào)道的 MSC 和商業(yè)設(shè)備的 Ragone 圖進(jìn)行比較。(c) 兩個(gè)串聯(lián) MSC 的示意圖，以及 (d) 與單個(gè)器件在 10 V·s -1下的相應(yīng) CV 曲線。(e) 兩個(gè)并聯(lián) MSC 的示意圖，(f) 與單個(gè)器件在 10 V·s -1下相對(duì)應(yīng)的 CV 曲線。
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圖6. EMIMBF 4離子液體中基于Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在不同掃描速率下在 EMIMBF 4離子液體中獲得的基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的 CV 曲線： (a) 1 V·s -圖1中，(b)10V ·s -1、(c) 100V·s -1、(d)1000V ·s -1。(e) 固定電勢(shì) (1.5 V) 下陰極電流的對(duì)數(shù)對(duì)掃描速率對(duì)數(shù)的依賴(lài)性。(f) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的體積電容作為掃描速率的函數(shù)。(g) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的奈奎斯特圖。(g) 中的插圖是相應(yīng)的部分放大奈奎斯特圖。(h) 阻抗相位角與頻率的關(guān)系圖。(i) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 EMIMBF 4離子液體中經(jīng)過(guò) 10000 次循環(huán)后的電容保留。
圖7 . (a) Ti 3 C 2 T x納米片、(d) Ti 3 C 2 T x QD 和 (g) 氮摻雜 Ti 3 C 2 T x QD的優(yōu)化側(cè)視結(jié)構(gòu)。(b) Ti 3 C 2 T x納米片、(e) Ti 3 C 2 T x QD 和(h) 氮摻雜的Ti 3 C 2 T x QD的總態(tài)密度和相應(yīng)的部分態(tài)密度。(c) Ti 3 C 2 T x納米片、(f) Ti 3 C 2 T x QD 和(i) 氮摻雜的 Ti 3 C 2 T x QD表面上 K 離子的擴(kuò)散能壘。(c)、(f) 和 (i) 中的插圖分別是每種材料及其優(yōu)化結(jié)構(gòu)相應(yīng)的有利擴(kuò)散路徑。
相關(guān)科研成果由滑鐵盧大學(xué)Aiping Yu，新加坡科技研究局Shibo Xi等人于2024年發(fā)表在Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109332）上。原文：Engineered MXene Quantum Dots for Micro-Supercapacitors with Excellent Capacitive Behaviors
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109332
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
