MXene材料的纳米工程及其作为超级电容器电极材料的研究进展

温室气体的过量排放对全球气候产生严重不良影响,如何减少碳排放已成为全球性议题。超级电容器具有使用寿命长、功率密度高、碳排放量相对较低的优点。大力发展超级电容器储能是建立未来能源系统的可靠和有效措施。MXene材料具有优良的亲水性、电导率、高电化学稳定性和表面化学可调性,近年来在超级电容器储能应用研究领域广受关注,但MXene严重的自堆叠问题限制了其储能性能充分发挥,开发更先进的MXene材料对于下一代高性能电化学储能设备至关重要。基于此,本文综述了MXene材料在超级电容器储能应用领域的研究进展,介绍了MXene的结构和储能特性,探讨了MXene的储能机理,重点剖析了纳米工程改进MXene电极性能的结构设计,详细总结了MXene复合材料构效关系和在超级电容器应用方面的最新研究进展,最后提出了MXene材料用作超级电容器电极的研究方向和发展趋势。     

纳米碳材料负载过渡金属氧化物用作超级电容器电极材料

与传统能量存储设备相比,超级电容器因具备比电容高、充放电快、绿色环保并且循环稳定性能优异等优点,在移动通信、电动汽车、国防和航空航天领域具有广阔的应用前景,已成为世界范围内的研究焦点。其中,超级电容器的电极材料是其性能的决定因素,常见的超级电容器电极材料包括碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物等。不同的电极材料的电荷储存机理不同,过渡金属氧化物具有典型的赝电容行为,依赖可逆的氧化还原反应和化学吸附/脱附过程来储存电荷,理论比电容高。然而,过渡金属氧化物同时存在导电性能差,循环稳定性不佳的缺点。碳材料主要表现双电层电容特性,依靠材料表面和电解质离子间的可逆物理吸附/脱附过程储存电荷,具有优异的倍率性能,符合实际生产和应用中对于超级电容器器件高寿命的要求,但其自身比电容相对较低。与单一属性的材料相比,复合材料往往表现出更加优异的电化学性能,大量的研究表明,过渡金属氧化物与碳材料的复合是解决上述问题的有效途径。碳材料因具有来源丰富、价格低廉、质量轻盈、比表面积高以及热稳定性好与电化学性能稳定等优点,日益受到重视,是构建赝电容电容器电极的首选基底材料。碳材料结构多样,近年来,零维的碳量子点、碳球,一维的碳纳米管、碳纳米纤维,二维的石墨烯、氧化石墨烯,三维的石墨烯泡沫、碳泡沫/海绵等均被成功地用于构建碳基复合电极材料,并取得了丰硕的成果。零维碳纳米材料具有高比表面积,提供了调节多孔性的灵活度,可以获得适合各自电解质溶液的最优化条件。一维碳纳米结构一般具有高长宽比和良好的电子传输性能,可以促进超级电容器电极的电荷转移。二维碳纳米结构具有比表面积大与导电性高、力学性能优良等特点,具备潜在赝电容行为,并且能增强超级电容器电极间的充放电反应动力学。利用三维导电材料作为模板,沉淀赝电容材料,可以构建高性能超级电容器电极。本文概述了不同维度碳材料负载过渡金属氧化物作为赝电容的电极材料及其电容性能,并对电极材料储能方面存在的不足和未来的研究方向做出了总结和展望,以期为制备性能优良、环境友好和高寿命的超级电容器提供参考。     

二维晶体材料MXene的电化学应用研究进展

MXene是一种类石墨烯结构的新型二维过渡金属碳化物或碳氮化物,通过氟盐和盐酸或氢氟酸刻蚀前驱体MAX相中的活泼金属元素得到,其化学通式为Mn+1XnT(n=1,2,3…),T表示表面所附着的官能团(-H、-F或-OH)。得益于其表面的官能团,MXene在储能方面应用较为广泛。通过表面改性、离子插层,增加MXene晶面间距,提高离子传输效率,以优化MXene在电化学方面的应用。综述了以Ti3C2为代表的MXene的制备方法、理论研究以及在锂离子电池、锂硫电池、超级电容器等方面的应用研究进展,展望了MXene在电化学领域的应用前景和未来的研究方向。     

超级电容器用镍钴硫化物电极材料的研究进展

超级电容器(supercapacitor,SC)是近年出现的高功率、高能量密度和长循环寿命的新型储能装置,利用表面双电层储能或在材料表面及近表面与特定离子发生快速可逆的法拉第反应储能。镍钴硫化物电极材料具有比单一硫化物和相应氧化物更高的导电性,同时两种金属离子的协同作用使其具有优异的电化学性能。结合近年相关文献报导,综述了镍钴硫化物电极材料的工作原理、制备方法、电化学性能及其优缺点,展望了其在储能机理和结构设计上的研究前景。     

MXene/CNTs复合材料的制备及应用进展

MXene和碳纳米管作为两大低维材料，已被广泛应用于诸多领域。然而MXene材料因其特有的片层结构及丰富的表面官能团，在实际研究中仍与理论值存在较大差距。从MXene材料的特征及制备方法出发，结合现有碳纳米管的研究基础综合讨论了MXene/碳纳米管复合材料从制备到应用的研究进展。MXene材料和碳纳米管进行复合具有更优异的性能，再加上MXene更好的亲水性和良好的分散稳定性，使MXene/CNTs复合材料的制备更加多样化，能够在应变传感、电磁屏蔽、催化、高介电材料、电池和超级电容器电极材料方面具有很大的应用前景。     

二维材料MXene的制备与电学性能研究进展

具有层状结构的二维过渡金属碳/氮化物材料(MXene)因其优良的导电性、良好的亲水性以及丰富的表面化学结构得到了大部分研究者的关注.着眼于MXene的先进制备方法及过程展开综述,同时综述了其在电学方面(包括超级电容器,电池材料和电催化)的研究进展.在MXene超级电容器中相较于普通水系电解液,有机电解液或离子电解液往往...     

多孔碳及其复合材料在超级电容器中的研究进展

多孔碳超级电容器具有比电容高和循坏寿命长等优点，是当前研究和应用最广泛的一类超级电容器材料。综述了多孔碳材料的不同制备方法和多样化的多孔碳材料前驱体，并介绍了掺杂石墨烯、过渡金属氧化物(TMDs)、过渡金属碳化物或氮化物(MXene)及杂原子等手段来改善碳基电极的离子传输能力，对其在电容器中的应用进行了总结。     

超级电容器电极用N-掺杂多孔碳材料的研究进展

多孔碳材料作为双电层电容器的主要电极材料,已成功应用于商业化超级电容器。但作为电极材料,纯碳材料表面疏水、内阻较大、电容较低等缺点使其进一步发展受到制约。近年来,随着超级电容器的迅速发展,氮掺杂多孔碳材料作为其电极材料引起研究人员的广泛关注,并采用不同的制备方法成功合成了一系列结构不同、性能优异的氮掺杂碳材料。基于超级电容器氮掺杂多孔碳电极材料的最新研究进展,首先介绍了氮在碳材料中的基本存在形式及对碳电极材料性能的影响,然后重点评述了氮掺杂碳电极材料的制备,最后总结了超级电容器氮掺杂碳材料的发展趋势。     

Co3O4/碳复合超级电容器材料的研究进展

Co₃O₄作为超级电容器材料，因具有理论比容量高、价格成本低、无毒环保、储量丰富等优点而备受关注，但制备出电化学性能优异的Co₃O₄超级电容器材料仍是个巨大的挑战。通过与导电性突出的碳材料复合，增加了电子/离子的传输速度，提高了Co₃O₄超级电容器材料电化学性能。综述了Co₃O₄/碳复合超级电容器材料的合成方法，归纳了各个方法的优缺点，分析了影响Co₃O₄/碳复合超级电容器电化学性能的因素，最后，指出了Co₃O₄/碳复合超级电极材料所面临的问题和发展前景。     

可拉伸超级电容器碳基复合电极材料的研究进展

随着便携式和可穿戴电子产品的发展,人们对柔性储能设备的需求越来越迫切。常用的储能设备有锂离子电池、超级电容器等。与锂离子电池相比,超级电容器具有更快的充放电速度、更高的循环稳定性能和更大的比电容等优点。但传统的超级电容器在受到拉伸、压缩等外力作用时,存储功能难免下降甚至丧失。因此,可拉伸超级电容器引起了研究者们的关注。电极是可拉伸超级电容器的重要组成部分,人们通过制备性能优异的电极材料或设计能够抗压缩、拉伸、扭曲等高强度机械力的电极结构来提高电极的电化学性能和力学性能。碳纳米管、石墨烯、碳纤维和碳气凝胶等碳材料属于双电层电容器电极材料,它们虽然比表面积大、循环稳定性强,但仍存在低比电容、低能量密度等缺点。其中,石墨烯更是面临因堆叠团聚而导致的储能性能降低的问题。于是,人们在将碳材料与其他电极材料结合制备碳基可拉伸复合电极材料方面做了许多尝试。高比电容的赝电容电极材料、大比表面积的过渡金属硫化物或高导电性的金属纳米线,都已被发现能够与某些碳材料产生协同互补,形成的碳基复合电极在比电容、循环稳定性和力学性能方面相比单种碳电极材料有明显提高。本文在对比介绍用作可拉伸超级电容器的各种碳材料的优势与不足的基础上,综述了近年来广泛应用于可拉伸超级电容器的碳基复合电极材料的研究进展。     

Surface Modified MXene‐Based Nanocomposites for Electrochemical Energy Conversion and Storage

In recent years, the rapidly growing attention on MXenes makes the material a rising star in the 2D materials family. Although most researchers' interests are still focused on the properties of bare MXenes, little attention has been paid to the surface chemistry of MXenes and MXene‐based nanocomposites. To this end, this Review offers a comprehensive discussion on surface modified MXene‐based nanocomposites for energy conversion and storage (ECS) applications. Based on the structure and reaction mechanism, the related synthesis methods toward MXenes are briefly summarized. After the discussion of existing surface modification techniques, the surface modified MXene‐based nanocomposites and their inherent chemical principles are presented. Finally, the application of these surface modified nanocomposites for supercapacitors (SCs), lithium/sodium–ion batteries (LIBs/SIBs), and electrocatalytic water splitting is discussed. The challenges and prospects of MXene‐based nanocomposites for future ECS applications are also presented.     

High Mass-Loading Biomass-Based Porous Carbon Electrodes for Supercapacitors: Review and Perspectives

Biomass-based porous carbon (BPC) with renewability and flexible nano/microstructure tunability has attracted increasing attention as efficient and cheap electrode materials for supercapacitors. To meet commercial needs, high mass-loading electrodes with high areal capacitance are preferred when designing supercapacitors. The increased mass percentage of active materials can effectively improve the energy density of supercapacitors. However, as the thickness of the electrode increases, it will face the following challenges including severely blocked ion transport channels, poor charging dynamics, poor electrode structural stability, and complex preparation processes. A bridge between theoretical research and practical applications of BPC electrodes for supercapacitors needs to be established. In this review, the advances of high mass-loading BPC electrodes for supercapacitors are summarized based on different biomass precursors. The key performance evaluation parameters of the high mass-loading electrodes are analyzed, and the performance influencing factors are systematically discussed, including specific surface area, pore structure, electrical conductivity, and surface functional groups. Subsequently, the promising optimization strategies for high mass-loading electrodes are summarized, including the structure regulation of electrode materials and the optimization of other supercapacitor components. Finally, the major challenges and opportunities of high mass-loading BPC electrodes in the future are discussed and outlined.     

MXene基薄膜的有序组装及其在储能和电磁干扰屏蔽中的应用

5G电子消费产品日益普及,给人们的生活带来便利的同时也存在一些问题,如电磁干扰(EMI)风险大幅度提高,5G网络耗电速度快等。因此需要开发具有高EMI屏蔽性能的膜材料和高容量的电极材料来解决这些问题。作为一种新型二维材料,过渡金属碳化物、氮化物或氮碳化物(称为MXene)具有出色的导电性、低密度、亲水性表面、二维层状形态和可调节的表面化学性质等诸多优势。此外,由于MXene具有容易成膜的特点,在EMI屏蔽和储能设备等领域具有巨大的应用潜力。目前已经报道了很多基于MXene复合薄膜的工作,本文首先介绍了MXene纳米片的合成方法,然后讨论了MXene基复合薄膜的制备方法,目的是总结制备MXene复合薄膜的各种方法及其优缺点。其次,分别介绍了MXene在锂离子电池和超级电容器及EMI屏蔽膜中的应用,分析了目前的发展趋势,并且对目前主流的复合材料进行了对比,归纳了MXene复合薄膜在结构和性能上的特点和优势。最后,提出了目前MXene复合薄膜的发展所存在的问题,并对未来发展进行了展望。     

基于生物质衍生炭在超级电容器中的研究进展

多孔炭由于其较大的比表面积、高耐久性和独特的内部结构而被广泛应用于储能领域的电极材料,但是发展新的储能系统需要可再生、低成本和对环境友好的电极材料。而生物质作为地球上最广泛的可再生资源之一,有着巨大的开发利用价值。目前在储能领域,生物质炭基超级电容器因其优异的性能而备受研究者的青睐。本文按照炭前驱体的来源对生物质衍生炭进行了分类,重点介绍了生物质衍生炭作为超级电容器电极材料方面的最新研究成果,最后讨论了生物质衍生炭材料在建设高效能源存储系统方面所面临的挑战。     

Review of Design Routines of MXene Materials for Magnesium-Ion Energy Storage Device

Renewable energy storage using electrochemical storage devices is extensively used in various field applications. High-power density supercapacitors and high-energy density rechargeable batteries are some of the most effective devices, while lithium-ion batteries (LIBs) are the most common. Due to the scarcity of Li resources and serious safety concerns during the construction of LIBs, development of safer and cheaper technologies with high performance is warranted. Magnesium is one of the most abundant and replaceable elements on earth, and it is safe as it does not generate dendrite following cycling. However, the lack of suitable electrode materials remains a critical issue in developing electrochemical energy storage devices. 2D MXenes can be used to construct composites with different dimensions, owing to their suitable physicochemical properties and unique magnesium-ion adsorption structure. In this study, the construction strategies of MXene in different dimensions, including its physicochemical properties as an electrode material in magnesium ion energy storage devices are reviewed. Research advancements of MXene and MXene-based composites in various kinds of magnesium-ion storage devices are also analyzed to understand its energy storage mechanisms. Finally, current opportunities, challenges, and future prospects are also briefly discussed to provide crucial information for future research.     

Freestanding hierarchical porous carbon film derived from hybrid nanocellulose for high-power supercapacitors

Nanocellulose is a sustainable and eco-friendly nanomaterial derived from renewable biomass.In this study,we utilized the structural advantages of two types of nanocellulose and fabricated freestanding carbonized hybrid nanocellulose films as electrode materials for supercapacitors.The long cellulose nanofibrils (CNFs) formed a macroporous framework,and the short cellulose nanocrystals were assembled around the CNF framework and generated micro/mesopores.This two-level hierarchical porous structure was successfully preserved during carbonization because of a thin atomic layer deposited (ALD) Al2O3 conformal coating,which effectively prevented the aggregation of nanocellulose.These carbonized,partially graphitized nanocellulose fibers were interconnected,forming an integrated and highly conductive network with a large specific surface area of 1,244 m2·g-1.The two-level hierarchical porous structure facilitated fast ion transport in the film.When tested as an electrode material with a high mass loading of 4 mg·cm-2 for supercapacitors,the hierarchical porous carbon film derived from hybrid nanocellulose exhibited a specific capacitance of 170 F.g-1and extraordinary performance at high current densities.Even at a very high current of 50 A·g-1,it retained 65％ of its original specific capacitance,which makes it a promising electrode material for high-power applications.     

具有类似结构的石墨烯和MXene在电磁吸波领域的研究进展

石墨烯和MXene作为两大新型二维材料,均具有高电导率、大比表面积,质轻等独特的结构与性能,近年来得到广泛的关注与研究,特别掀起对具有类石墨烯结构的MXene的研究热潮。对两者的结构、吸波性能及研究现状进行对比,归纳总结其单一材料、与碳纳米管、磁性粒子、导电聚合物、碳纤维复合材料在电磁吸波领域的研究,并提炼出两者的吸波机制与吸波材料的设计原则,期待可以为基于二维材料的“薄、轻、柔、宽”新型电磁吸波材料的设计研究提供思路。     

Conducting Polymer Nanowire Arrays for High Performance Supercapacitors

This Review provides a brief summary of the most recent research developments in the fabrication and application of one‐dimensional ordered conducting polymers nanostructure (especially nanowire arrays) and their composites as electrodes for supercapacitors. By controlling the nucleation and growth process of polymerization, aligned conducting polymer nanowire arrays and their composites with nano‐carbon materials can be prepared by employing in situ chemical polymerization or electrochemical polymerization without a template. This kind of nanostructure (such as polypyrrole and polyaniline nanowire arrays) possesses high capacitance, superior rate capability ascribed to large electrochemical surface, and an optimal ion diffusion path in the ordered nanowire structure, which is proved to be an ideal electrode material for high performance supercapacitors. Furthermore, flexible, micro‐scale, threadlike, and multifunctional supercapacitors are introduced based on conducting polyaniline nanowire arrays and their composites. These prototypes of supercapacitors utilize the high flexibility, good processability, and large capacitance of conducting polymers, which efficiently extend the usage of supercapacitors in various situations, and even for a complicated integration system of different electronic devices.     

聚噻吩/活性炭复合材料作为超级电容器电极材料的电性能

采用原位聚合的方法在活性炭表面引发噻吩聚合,制备不同配比的聚噻吩/活性炭复合材料作为超级电容器电极材料,并研究了不同配比对材料电性能及结构的影响.采用傅里叶红外光谱及场发射扫描电镜研究了材料的化学结构及表面形态.采用循环伏安,恒流充放电等方法评价了材料电性能.结果表明,当活性炭与噻吩的摩尔比为10:1时,复合材料呈蓬松...