背景介绍
柔性超级电容器由于其高电容、长循环寿命、低成本和灵活性等优点在便携式和可穿戴电子设备中有着广泛的应用。理想的柔性电极材料应具有导电性高、孔径大小适中、孔结构相互联通和机械柔韧性好等特点。MXenes的末端基团可调，电导率好，比表面积大，理论容量和能量密度高，具有独特的亲水性和良好的机械柔韧性，作为超级电容器用柔性电极材料具有很大的潜力。然而，MXene片层间由于较强的范德华力，容易聚集和自堆叠，从而导致MXene的离子传输效率低下和电化学活性位点失活，进而影响其电化学性能。因此，通过提高MXene的层间距，改变其末端基团和设计高效的离子传输孔结构等策略来设计出具有高电化学性能和优异柔韧性的超级电容器用MXene材料。
研究方法
本文提出了一种精准控制MXene薄膜气凝胶孔结构的固体发泡法。即Na+预插层的MXene经抽滤成膜后，用N2H4作发泡剂和还原剂，最后成功得到了具有一定孔隙率、表面氨基化改性的三维Ti3C2Tx。这里，N2H4发泡将MXene薄膜转化为具有多孔网络结构的气凝胶，既能保留薄膜的机械性能和可恢复变形特性，又能不添加粘合剂直接进行电化学测试，是获得理想MXene基柔性电极的有效方法。
成果简介
本文设计了Na+预插层和氨基末端基团改性策略来调节MXene层间距和改变其电子结构，并设计了气凝胶结构来充分暴露MXene表面的活性位点和提供更多的离子传递途径。我们制备的Na-Ti3C2Tx-50气凝胶在0.5 M H2SO4中实现了560 F/g的高质量比容量（7000 mF/cm2高面积比容量）和12000圈的超高循环性能（94.5%）。此外，由MXene薄膜电极组成的柔性固态超级电容器具有优异的比电容(128 F/g)和高能量密度( 1600W/kg时52.8Wh/kg，37.76 Wh/L at 1142.3 W/L)，因此，本工作证明了薄膜气凝胶在可穿戴电源中的广阔应用前景。
作者简介
通讯作者：郭晓辉教授，理学博士，教授, 博士生导师。1999年毕业于合肥工业大学高分子材料专业，1999年7月-2002年5月中国航天科工集团物理化学电源研究所从事固体电池的设计工作，助理工程师；2007年中国科技大学获得博士学位,师从俞书宏院士；2007年9月-2009年9月复旦大学先进材料实验室博士后，师从赵东元院士；2009年9月人才引进到西北大学化学与材料学院工作。2011年在首尔国立大学从事磁性纳米材料的博士后研究；目前主要从事多孔纳米结构材料的制备及其电化学储能/催化方面的研究。在Angew chem, Adv. Mater, Small, adv. Sci, J. Mater. Chem. A, Chem.Eng. J, Chem. Commun等国际知名学术刊物发表SCI论文60多篇，被引次数达2000多次；获得过2010年国家自然科学二等奖，2011年陕西省青年科技新星，2013年教育部新世纪优秀人才，2016年陕西省青年科技人才奖，2022年陕西省高等学校优秀成果一等奖等称号。
文章信息
Jin X, Mo D, Feng L, et al. Amino-functionalized and Na+ pre-intercalated three-dimensional Ti3C2Tx film aerogel with excellent electrochemical performances for supercapacitor. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907092.
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