功能化MXene及其超级电容器

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MXene作为一种新型二维材料,自2011年发现以来在各个领域备受关注。其独特的物理/化学性质、优良的电导率、亲水性表面以及高比表面积等特点也受到超级电容器研究者的青睐。有关于MXene基超级电容器的研究日益深入,但普遍暴露出相同的问题,即MXene本身的特性使得其纳米片易堆叠,也容易发生氧化降解,影响其作为超级电容器材料的优势。有鉴于此,本文尝试抑制MXene的堆叠及氧化现象的发生,具体研究内容如下:1.将对碘苯基修饰的MXene与共轭微孔聚合物(CMPs)构筑单体反应,制备了一系列三明治状的MXene基共轭微孔聚合物纳米片(M-CMPs)。该复合材料不仅继承了MXene的高电导率,而且拥有CMPs的高比表面积,有利于超级电容器性能的提升。以M-PAQBz为例,获得了190 F/g的比电容,大约是PAQBz性能的两倍。更重要的是,由于CMPs共价接枝在MXene表面,起到了抑制相邻MXene纳米片之间堆叠的作用。此外,对MXene表面进行修饰以后,减少了MXene与水、氧反应的活性位点,减缓了MXene的氧化降解。2.通过静电作用制备了MXene/硫堇(MH/Th)水凝胶,主要是将质子化硫堇溶液注入到MXene分散液中,硫堇溶液破坏了MXene体系的静电平衡发生层层自组装形成三维凝胶结构。该凝胶结构抑制MXene纳米片堆叠的同时保留了MXene的亲水性,能够大幅提高电解质离子的可接近性。硫堇分子的氨基官能团具有一定的还原性,赋予了MXene一定的抗氧化性能。硫堇分子本身的含氧官能团可以贡献一定的赝电容,提高材料的超级电容器性能。最终,MH/Th在三电极体系中得到了163 F/g的比电容,对称MH/Th电池器件在0.5A/g的电流密度下显示出79 F/g的比电容。此外,即使电流密度扩大了十倍,该器件仍然保留了约50%的初始电容,表现出较好的电容保持率。本论文从MXene纳米片的表面修饰、共轭微孔聚合物插层、三维结构的组装方面对MXene进行优化,尝试抑制MXene堆叠和氧化的发生,为MXene在储能领域的进一步推广提供了可能。
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