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1研究背景
随着科技的飞速发展和社会需求的日益增长，化石燃料的消耗量急剧增加，环境污染问题日益严重，能源问题成为全球关注的焦点。清洁能源的不稳定性和分布不均给大规模解决方案的推广带来了挑战。能源存储设备的发展和利用为这一问题提供了潜在的解决方案。目前，能源存储设备的研究主要集中在各种超级电容器和电池上，如锂离子电池和钠离子电池。它们具有高能量密度的优势，但也存在低功率密度和短循环寿命的缺点，阻碍了它们在便携式商业化方面的进展。与此相反，超级电容器表现出高功率密度和长寿命，但在能量密度和电压窗口方面存在不足，这也阻碍了它们的大规模商业应用。为了解决这些不足，开发具有更高能量存储密度的新型电极材料已成为该领域的研究重点。在二维材料家族中，MXene作为新成员因其出色的导电性、亲水性和化学稳定性而在生物医学、光电子学和超级电容器中得到广泛应用。然而，由于范德华力的作用，二维材料倾向于自堆叠，导致大量活性位点和通道被覆盖和阻塞。此外，制备过程中氢氟酸的存在引入了对电化学性能不利的基团。作为MXene家族的一员，Ti3C2Tx展现出200-300 F·g−1的质量比电容，显示出在能源存储领域的巨大应用潜力。最近，针对其性能优化，报道了几种有效的策略，包括复合、掺杂（例如N、P、S、O和B）、离子插层和表面端基控制。金属氢氧化物是另一种因高氧化还原活性和高理论质量比容量而具有优异电化学性能的材料，使其成为超级电容器领域的完美候选材料。此外，它还具有低成本、环保、简单和大规模合成过程的优势。在这项研究中，研究人员探索了通过简单的水热法原位生长GaOOH复合物与MXene（Ti3C2Tx/GaOOH）的低成本策略。研究发现，GaOOH不仅抑制了Ti3C2Tx层间的堆叠，增加了层间距，暴露出更多的电化学活性位点，而且还通过提供伪电容参与能量存储反应。这项工作为高性能Ti3C2Tx基超级电容器提供了新颖的电极材料。
2成果简介
在这项研究中，研究人员成功通过简单的一步水热法合成了GaOOH/Ti3C2Tx MXene复合物，这是一种环境友好且成本效益高的方法。GaOOH纳米棒均匀生长在Ti3C2Tx MXene上，两者的结合防止了Ti3C2Tx MXene层之间由范德华力引起的自堆叠。这不仅增加了电化学活性位点的数量，还促进了离子和电子的快速传输。GaOOH和MXene的协同效应赋予了GaOOH/Ti3C2Tx MXene复合物出色的电化学性能。研究结果表明，GaOOH/Ti3C2Tx MXene展现出了惊人的542 F·g−1的比电容，在0.5 A·g−1的电流密度下，以及在5000个循环后96.6%的优异循环稳定性。这项研究为优化基于MXene的金属氢氧化物电极材料的性能提供了一种策略，为开发具有超级电容器应用潜力的高性能电极材料铺平了道路。3图文导读
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图2 ：(a) GM0，(b) GM4，和 (c) GM8的SEM顶视图图像；(d) Ti3C2Tx MXene，(e) GM4，和 (f) GM8的SEM横截面图像；(g) GaOOH/Ti3C2Tx MXene复合物的元素分布图。![]()
图3 Ti3C2Tx MXene和GaOOH/Ti3C2Tx复合物的XRD图案。![]()
图4 (a) GaOOH/Ti3C2Tx (GM6)复合物的全谱；(b)，(c) 和 (d) GM0，GM2，GM6和GM8样品的高分辨率XPS比较。![]()
图5 GM6 (GaOOH/Ti3C2Tx)样品的高分辨率XPS谱图 (a) Ti 2p (b) C 1s (c) O 1s (d) Ga 3d。![]()
图6 在充放电过程中不同电压条件下GM6样品的XPS比较图。
4小结
这项研究通过简单的水热合成方法成功制备了GaOOH/Ti3C2Tx MXene复合物，不仅提高了电化学活性位点的数量，还促进了离子和电子的快速传输。GaOOH/Ti3C2Tx MXene复合物展现出了卓越的电化学性能，具有显著的比电容和优异的循环稳定性，为超级电容器领域提供了一种高性能的电极材料。这项工作不仅为MXene基金属氢氧化物电极材料的性能优化提供了新的思路，也为未来高性能超级电容器电极材料的开发提供了重要的科学依据。文献：
https://doi.org/10.1016/j.est.2024.114686推荐阅读：
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