优硕微展|刘萍:MXene基复合材料的制备及其超级电容器性能的研究

教育   2024-11-21 20:03   新疆  

编者按

优硕微展是石河子大学应届优秀硕士毕业生论文精华的呈现,由石河子大学研究生院联合各院收集并发布,旨在对我校硕士研究生的阶段性学术成果和在校时科研成绩进行简要、集中展示,形成“见贤思齐”的榜样力量。

MXene基复合材料的制备及其超级电容器性能研究

Preparation of MXene-based composites and their performance of supercapacitors

作      者:刘萍

指导老师:王刚、刘艳艳

培养学院:化学化工学院

读硕感言:

硕士求学阶段是我人生中一段美好时光的见证。这段旅程将充满着智慧与勇气的较量、磨砺与成长。一路走来,变化的是年龄和心智,不变的是奋斗和追求。感谢恩师的指导和支持,感谢家人和朋友的鼓励和理解。人生如逆旅,我亦是行人。

NO.1

研究背景/选题意义/研究价值

超级电容器作为电化学储能器件的重要组成部分,尤其是柔性超级电容器在柔性储能领域扮演着越来越重要的角色。为实现超级电容器的商业化应用,同时兼顾长循环寿命、高能量密度、功率密度和快速充放电至关重要。然而,目前进行商业化的超级电容器电极材料普遍以碳材料为主,尽管能够实现较高的功率密度和长循环寿命,但是碳材料的电双层储能机制始终无法实现高能量密度。相较于碳材料,以过渡金属氧化物、导电聚合物等为主的赝电容材料,因可以进行快速的可逆氧化还原反应可以实现较高的理论容量。但是大多数赝电容材料的电子导电率较低,容易发生体积膨胀,导致较低的功率密度和长循环寿命。2DMXene材料具有优异的电子导电性、丰富的表面官能团、类金属氧化物表面并且在酸性电解液下表现出赝电容特性,有望同时实现高比电容和高能量密度,因此被广泛用作超级电容器电极材料。但是MXene的层状结构容易因氢键和层间范德华力发生自堆叠,不利于电解质离子和活性位点的接触,从而影响比容量和倍率性能。因此,需要对MXene材料进行合理的优化处理如复合改性等,通过协同策略来实现高比电容的MXene基电极材料。

NO.2

主要研究内容

1.采用Keggin型多金属氧酸盐(pMo12)作为层间间隔物,通过简单的静电自组装策略嵌入表面改性处理后的单少层的Ti3C2Tx中。pMo12纳米颗粒可以抑制Ti3C2Tx纳米片的自堆叠,并提供额外的赝电容,同时保留Ti3C2Tx结构的完整性。测试结果表明,添加适量的pMo12,在不丧失优异柔性的前提下,可以得到更加优异的性能。组装的全固态对称超级电容器表现出良好的质量能量密度。


2.利用Ti3C2Tx的金属导电性和2D层状结构的特点,结合赝电容特性的过渡金属硫化物构建异质结构可以显著提升电化学性能。将醋酸锌通过低温硫化策略在Ti3C2Tx纳米片上原位生成硫化物纳米颗粒,得到0D/2D Ti3C2Tx/ZnS柔性电极。二者之间的强相互作用不仅提高了Ti3C2Tx/ZnS的稳定性,还提供了优异的面积容量。


3.利用过渡金属钒酸盐作为层间分子,通过简单的真空辅助抽滤法制备了Ti3C2Tx/FeVO4复合薄膜。纳米棒状和纳米颗粒状的FeVO4作为层间间隔物可以扩大Ti3C2Tx的层间距,暴露出更多的活性位点,同时提供额外的赝电容。Ti3C2Tx纳米片作为导电载体的同时缓解FeVO4的体积膨胀。因此,制备的三明治结构状的Ti3C2Tx/FeVO4电极能够实现优异的容量。

NO.3

主要创新点

本论文的工作均建立在Ti3C2Tx的赝电容储能特性以及可直接制备柔性自支撑工作电极的基础上。通过引入层间间隔物和构建异质结构等改性策略,在一定程度上缓解了层间堆叠的问题,并且优化了Ti3C2Tx的电化学性能。

NO.4

相关学术成果

1.Liu Ping; Liu Handan; Zhang Tengfei; Chen Long; Guo Wen; Gu Tiantian; Yu Feng; LiuYanyan; Wang Gang. Ti3C2Tx quantum dot-modified Ti3C2Tx nanosheets freestanding films forflexible solid-state pseudocapacitors. Chemical Engineering Journal 2023, 477, 146913.


崛步石研

来源:化学化工学院

编辑:张雪

编审:李庆轩 白 雪


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