文章信息
三明治状NiFe-LDH/MnCO3/MXene三元纳米复合材料用作高性能非对称超级电容器的电池型电极
第一作者: 何良辰
通讯作者: 王仲民*， 甘伟江*
单位: 桂林电子科技大学， 广西科学院
研究背景
超级电容器是一种可行的高效储能装置，因其具有高能量和功率密度、快速充放电能力和长寿命等特点，在储能领域受到了广泛的关注。其中，Ti3C2Tx（MXene）作为一种潜在的电极材料，与金属一样具有出色的导电性。此外，它还具有出色的循环稳定性和优异的体积电容，因此受到了广泛关注。然而，它的质量电容十分有限。此外，MXene的层间再堆叠问题严重阻碍了离子的扩散，从而降低了表面活性位点的利用率，这些缺陷限制了它的进一步应用。在此背景下，本工作通过在MXene表面原位生长NiFe-LDH/MnCO3来解决MXene的再堆叠问题，并提高MXene的质量电容，同时克服了LDH长时间反应后的结构坍塌倾向。
文章简介
来自广西科学院的王仲民教授和甘伟江博士，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Sandwich-like NiFe-LDH/MnCO3/MXene ternary nanocomposites serve as battery-type electrode for high-performance asymmetric supercapacitor”的文章。该文章通过在MXene表面原位生长NiFe-LDH/MnCO3来解决MXene的再堆叠问题，并提高MXene的质量电容，同时克服了LDH长时间反应后的结构坍塌倾向。
本文要点
要点一：采用混合酸刻蚀MAX相；
将12 M HCl，去离子水和49% HF按体积比7:2:1的比例混合得到刻蚀剂用以刻蚀Ti3AlC2得到Ti3C2Tx（MXene），相较于主流采用9 M HCl和LiF的氟盐法，混合酸刻蚀具有更高的成功率并且仅需要较短的反应时间。
图1. NiFe-LDH/MnCO3/MXene三元复合材料的合成路径
要点二：MnCO3为复合材料提供了相当可观的电容；
对比LDH/MXene和LDH/MnCO3/MXene的CV曲线，LDH/MnCO3/MXene具有更大的CV面积，同时通过GCD曲线计算得到两种材料的质量电容，LDH/MnCO3/MXene的质量电容为LDH/MXene的3.88倍，这归因于Mn元素存在丰富的价态以及在碱性电解质中，存在MnCO3向Mn(OH)2的相转变。
图2. NiFe-LDH/MnCO3/MXene三元复合材料的电化学性能分析
要点三：LDH/MnCO3与MXene的复合有效的缓解了Mxene的再堆叠和LDH的结构坍塌倾向；
在10 A/g电流密度下充放电5000次后，LDH/MnCO3的电容保留率为71%，而LDH/MnCO3/MXene的电容保留率为85%，结果表明LDH/MnCO3与MXene的复合有效缓解了LDH的结构坍塌倾向，这可能是由于LDH/MnCO3与MXene间的异质结建立有关，同时不同组分间的协同作用也进一步提高了LDH/MnCO3材料的导电性。
图3. NiFe-LDH/MnCO3/MXene三元复合材料与商业活性炭构建的非对称超级电容器性能分析
本研究采用直接水热法成功合成了NiFe-LDH/MnCO3/Mxene（NFMM）三元复合材料。由于MnCO3提供了可观的电容，NFMM表现出了出色的电化学电容，显著超过了NiFe-LDH/MXene。NiFe-LDH/MnCO3的高容量与具有高导电性的MXene相结合，协同提高了NFMM电极在超级电容器应用中的电化学性能。本研究也为多元层状电极材料之间的协同作用研究和开发提供了新的见解，有望推动更持久、高效的能源解决方案。
文章链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.159149
通讯作者简介
王仲民，博士，二级教授。广西大学、桂林电子科技大学博士生导师。广西科学院桂科铝业产业研究院院长，广西科学院高性能材料研究所所长。主要从事金属结构材料、稀土/有色功能材料、新型能源材料、金属腐蚀与防护、氢能技术等研究工作。近年来，主持国家自然科学基金项目6项，作为骨干成员参加国家自然科学重点基金、军工预研课题4项，主持或参加省部级课题30余项。广西教育厅“新能源材料设计与应用”人才小高地创新团队负责人；广西科技厅“稀土功能材料设计与应用”创新团队负责人；2023年第十批广西优秀专家；2022年第三届广西创新争优奖获得者；2022年获批首届广西军民融合发展专家库成员；2009年获第十届广西青年科技奖；2009年获第三批教育厅“八桂学者”；2008年广西“新世纪十百千人才工程”第二层次人选；获广西科技进步一等奖1项（2007年，排名2）；获广西自然科学奖二等奖2项（2012年，排名3；2017年，排名5）；获广西技术发明三等奖1项（2018，排名1）；获内蒙古化工厅、区科技进步一等和三等奖各1项（2003年，排名3）。近年来撰写相关研究文章200余篇，其中有150余篇被SCI收录；国家重点研发计划“氢能技术”、“稀土新材料”重点专项的评审专家，广西、重庆市、江西省、河北省等省市科技项目、科技奖项的评审专家。
甘伟江，中山大学化学学院无机化学专业，博士研究生，广西科学院高性能材料研究所高级工程师/助理研究员，广西科学院八大学科领域科技战略库专家。主要从事有色金属（稀土）光电转换材料，有色金属新材料开发与新能源电化学储能及转化研究。近年来，主持省部级项目1项，主持市（厅）级项目2项，获得市（厅）级科学技术奖一等奖1项（2024，排名3）。近年来，以第一作者或者通讯作者身份发表于Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Chemistry of Materials、Advanced Optical Materials等SCI期刊论文8篇，国内中文核心期刊2篇；授权国家专利8项，其中以第一发明人授权发明专利1项，实用新型专利1项。
课题组介绍
轻金属和新能源材料创新团队.
金属材料领域：铝熔铸、废铝再生和铝结构件轻量化设计；有色金属提纯和新材料研发；稀土功能材料研发与应用。新能源领域：动力电池材料研发及电池技术；氢的制取、储运和安全利用技术；新型储能材料和储能技术研发。农林生物领域：植物活性成分提取及功能开发；绿色稀土有机螯合剂研发及功能肥料研制推广；新型多孔材料研发及药物负载技术应用推广。
团队负责人:王仲民
信息来源：科学材料站
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