微型超級電容器（MSC）作為小型化便攜式/可穿戴電子產品的有希望的候選者而引起了極大的關注，但它們仍然存在電化學性能不理想（例如能量密度不足、倍率性能平庸）的問題，從而阻礙了其廣泛應用。在此，提出了一種通過縮小至量子點尺度、摻雜雜原子以及引入缺陷和官能團來實現(xiàn)協(xié)同表面和結構工程策略來調節(jié)Ti 3 C 2 T x MXene的物理化學性質。令人鼓舞的是，所得到的基于富缺陷氮摻雜 Ti 3 C 2 T x量子點（QD）的 MSC 具有優(yōu)異的電化學性能，如大工作電壓（ 離子液體中 3.0 V， 水性電解質中 1.0 V）、完美的矩形即使在 1000 V·s -1 下也能保持 CV 形狀、33.1 F·cm -3的高體積電容以及 10000 次循環(huán)后的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性。通過實驗表征和密度泛函理論計算，MSCs的卓越性能主要歸功于Ti 3 C 2 T x QDs的特殊化學態(tài)以及獨特的表面和結構特征，它提供了豐富的活性位點，縮短了離子擴散途徑，促進離子/電子傳輸，并提供增強的電容。該工作為高性能MSC的設計提供了新的策略，也為MXene量子點在其他能源相關領域的應用提供了參考。
圖1. (a) Ti 3 C 2 T x QDs的合成過程圖解。(b) Ti 3 C 2 T x納米片的TEM圖像。(b) 中的插圖是相應的低分辨率 TEM 圖像。(cf) Ti 3 C 2 T x QD 不同放大倍數(shù)的 TEM 圖像。(g) 合成的Ti 3 C 2 T x QD 的EEL 光譜。(g) 中的插圖是 NK 邊緣。
圖2. (a) Ti 3 C 2 T x QDs 溶液的紫外可見光譜（橙色）和 PL 光譜（藍色）。(a) 中的插圖分別是 Ti 3 C 2 T x QDs 溶液在可見光（左）和紫外光（右）下的照片。(b) Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x納米片對應物的 XRD 圖案。Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x納米片對應物的 XPS 光譜：分別為（c）Ti2p，（d）C1s。(e) Ti箔、TiO 2、Ti 3 C 2 T x QD和Ti 3 C 2 T x納米片的鈦K邊緣XANES 。分別對(f) Ti 3 C 2 T x納米片、(g) Ti 3 C 2 T x QD 和(h) TiO 2進行小波變換。(i) Ti 箔、TiO 2、Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x納米片在 R 空間中的 k2 EXAFS 的傅立葉變換。
圖3. (a) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs的 MSC 的制造過程圖示?；?Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC的叉指電極在不同放大倍率下的 SEM 圖像：（b，c）低放大倍數(shù)，（df）高放大倍數(shù)。(g) 叉指電極的橫截面 SEM 圖像。(h) 叉指電極的 SEM 圖像及其相應的 Ti、C、N 和 O 元素映射圖像。
圖4. 基于Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 1 M KOH 電解質中不同掃描速率下的 CV 曲線：(a) 1 V·s -1，(b) 10 V·s -1，(c) 100 V· s -1、(d)分別為1000V ·s -1。(e) 固定電勢 (0.5 V) 下的陰極電流對數(shù)對掃描速率對數(shù)的依賴性 。(f) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的體積電容作為掃描速率的函數(shù)。(g) 獲得的MSC在不同恒流密度下的GCD曲線??。(h) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的奈奎斯特圖。(h) 中的插圖是相應的部分放大奈奎斯特圖。(i) 阻抗相位角與頻率的關系圖。
圖5. (a) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 10000 次循環(huán)后的電容保持率。(b) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 與其他報道的 MSC 和商業(yè)設備的 Ragone 圖進行比較。(c) 兩個串聯(lián) MSC 的示意圖，以及 (d) 與單個器件在 10 V·s -1下的相應 CV 曲線。(e) 兩個并聯(lián) MSC 的示意圖，(f) 與單個器件在 10 V·s -1下相對應的 CV 曲線。
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圖6. EMIMBF 4離子液體中基于Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在不同掃描速率下在 EMIMBF 4離子液體中獲得的基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的 CV 曲線： (a) 1 V·s -圖1中，(b)10V ·s -1、(c) 100V·s -1、(d)1000V ·s -1。(e) 固定電勢 (1.5 V) 下陰極電流的對數(shù)對掃描速率對數(shù)的依賴性。(f) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的體積電容作為掃描速率的函數(shù)。(g) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的奈奎斯特圖。(g) 中的插圖是相應的部分放大奈奎斯特圖。(h) 阻抗相位角與頻率的關系圖。(i) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 EMIMBF 4離子液體中經過 10000 次循環(huán)后的電容保留。
圖7 . (a) Ti 3 C 2 T x納米片、(d) Ti 3 C 2 T x QD 和 (g) 氮摻雜 Ti 3 C 2 T x QD的優(yōu)化側視結構。(b) Ti 3 C 2 T x納米片、(e) Ti 3 C 2 T x QD 和(h) 氮摻雜的Ti 3 C 2 T x QD的總態(tài)密度和相應的部分態(tài)密度。(c) Ti 3 C 2 T x納米片、(f) Ti 3 C 2 T x QD 和(i) 氮摻雜的 Ti 3 C 2 T x QD表面上 K 離子的擴散能壘。(c)、(f) 和 (i) 中的插圖分別是每種材料及其優(yōu)化結構相應的有利擴散路徑。
相關科研成果由滑鐵盧大學Aiping Yu，新加坡科技研究局Shibo Xi等人于2024年發(fā)表在Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109332）上。原文：Engineered MXene Quantum Dots for Micro-Supercapacitors with Excellent Capacitive Behaviors
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109332
轉自《石墨烯研究》公眾號
