中大新聞網訊（通訊員衣芳）超級電容器由于具有充放電速率快、循環穩定性高、功率密度高等優點，是目前最常見電化學儲能器件之一。Ti3C2Tx MXene由于擁有金屬級的導電性、豐富的表面官能團、大的比表面、良好親水性等特點而成為目前極具潛力的一種超級電容器電極材料。然而，MXene二維片層團聚，表面活性官能團有限，容易被氧化等問題成為制約當前Ti3C2Tx基超級電容器發展的主要挑戰。
中山大學材料科學與工程學院衣芳教授課題組圍繞解決這三個問題和獲得高性能Ti3C2Tx MXene基超級電容器電極材料、器件及應用開展了系列研究。在課題組前期工作所開發的一種節能集成策略制備得到同時具有高電容，高倍率以及高循環穩定性的Ti3C2Tx MXene超級電容器電極（ACS Nano, 2022, 16, 9713?9727）的基礎上，進一步根據Ti3C2Tx電極材料特性，首次利用氧化還原電位在Ti3C2Tx的穩定電勢窗口內引入氧化還原添加劑來提高Ti3C2Tx基超級電容器電極及器件的電化學性能。
圖1. 氧化還原電解質策略設計及其電極工程優化輔助
圖2. 氧化還原添加劑和Ti3C2Tx MXene相互作用機理
優化的MXene/CPAQ電極在所設計的氧化還原電解質中，在2 mV s-1的掃描速率下測得788.4 F g-1的比電容，該電容值高于目前文獻報道純MXene和MXene/碳的超級電容器電極的電容，同時電極還具有良好的倍率性能和遠高于純MXene電極的循環穩定性。篩選發現CrCl2、CoSO4、CuCl2、VCl3和SnSO4不適合作為MXene/CPAQ電極的氧化還原添加劑，而CuSO4和VOSO4可以作為MXene/CPAQ電極的有效的氧化還原添加劑。CuSO4/VOSO4的復合電解質添加劑具有協同效應，對MXene/CPAQ電極電容的提升效果相比單一氧化還原添加劑有更好的綜合電化學性能，并且隨著氧化還原添加劑濃度的增加，MXene/CPAQ電極的電容增加（掃描速率≤200 mV s-1）。系統的實驗和理論模擬分析結果表明銅離子和釩離子能與MXene表面的活性=O結合，分別主要以Cu2+/Cu+和V3+/V2+的形式進行氧化還原反應。利用節能集成策略優化后的MXene/CPAQ電極能夠增加具有氧化還原活性的=O官能團、增大層間距、增大比表面積和提高孔體積等進而大大促進氧化還原電解質對電極電化學性能的提升。通過應用該策略，所制備的超級電容器在376.0 W kg?1的功率密度下獲得了高達80.9 Wh kg?1的能量密度，并且顯著改善了器件的自放電行為。此外，所設計的氧化還原添加劑在不同凝膠電解質（PVA/H2SO4、gelatin/H2SO4和PAM/H2SO4）中對MXene/CPAQ電極的電容也都有所提升，并且在PVA氧化還原凝膠電解質中具有較好的倍率性能。隨著在氧化還原凝膠電解質中聚合物質量含量的增加，MXene/CPAQ電極電容呈現減小的趨勢，其中PAM減小的趨勢更加明顯，可能主要與其具有更大的粘度有關。使用氧化還原凝膠電解質也可以明顯抑制柔性超級電容器的自放電行為。
相關成果以“Designed Redox-Electrolyte Strategy Boosted with Electrode Engineering for High-Performance Ti3C2Tx MXene-Based Supercapacitors”為題發表于期刊Advanced Energy Materials，第一作者為材料科學與工程學院博士生馬睿，通訊作者為衣芳教授；中山大學材料科學與工程學院為論文第一完成單位。該研究工作受到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金大力支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202301219
