西南交大杨维清教授ACS Nano：阐明和调控Ti3C2Tx MXene基超级电容器的自放电行为

【引言】

丰富的化学性质和表面功能化使MXenes的电化学活性增强，但同时也严重加剧了其在超级电容器中的自放电行为。然而，这种自放电行为及其相关机制仍然是一个研究空白。自放电现象将严重限制超级电容器的容量、能量密度等其他性能。因此，必须更好地了解MXene基超级电容器的自放电机理，有效地环节自放电现象，才能使超级电容器更有效地储存能量。

【成果简介】

西南交通大学杨维清教授课题组提出了一种界面化学调控策略，成功地阐明和有效地缓解了Ti₃C₂T_x MXene基超级电容器的自放电行为。本工作可以指导设计高性能和低自放电性能的MXene基超级电容器，并将促进其更广泛的商业应用。相关成果近期以“Unraveling and Regulating Self-Discharge Behavior of Ti₃C₂T_x MXene-Based Supercapacitors”发表于《ACS Nano》上，研究生王子兴，徐忠和黄海超为共同第一作者，张海涛副教授和杨维清教授为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、四川省科技厅合作项目以及中央高校基础研究经费等项目的支持。

【图文导读】

图1. 揭示和调控Ti₃C₂T_x MXene基超级电容器的自放电效应。

(a) 不同的紧密键合模型的示意图。(b) 不同的键合模型导致了混合自放电机制。(c) 通过调控界面化学，实现调控自放电过程的策略。

图2. Ti₃C₂T_x MXene基超级电容器的自放电行为。

(a) MXene基超级电容器的示意图。(b) 漏电流测试。(c) a-MXene和(d) t- MXene基超级电容器在不同的电流密度下的开路电位随时间的变化。

图3. a-MXene和t-MXene自支撑薄膜的形貌和成分组成。

(a) a-MXene和(b) t-MXene自支撑薄膜典型的扫描电镜图。(c) t-MXene膜的能谱图。(d) a-MXene和(e) t- MXene薄膜的高分辨X射线光电子能谱。

图4. Ti元素的X射线吸收精细结构。

(a) a-MXene和t-MXene以及Ti箔和TiO₂的Ti K-edge XANES谱。(b)通过参考Ti箔和TiO₂的Ti K-edge能量转移，估算a-MXene和t-MXene中的Ti元素的平均氧化态。(c) a-MXene与t-MXene对应的EXAFS R空间拟合曲线。

图5. MXene结构的DFT计算。

(a) 通过调节MXene表面官能团从而缓解自放电的示意图。(b) 不同的功能化Ti₃C₂T_x吸附K原子的结构图。(c) 不同位置的吸附能。

【小结】

本工作通过实验和理论计算，阐明和缓解了Ti₃C₂T_x MXene基超级电容器的自放电行为。显然，这种对自放电机理的揭示和对自放电过程的调控，为深入认识自放电效应提供了一条途径。

【团队介绍】

杨维清，西南交通大学材料科学与工程学院教授/博导，四川省第十二届政协委员，四川省千人计划，四川省杰出青年，2007和2011年分别获得四川大学硕士和博士学位，2011-2014年先后在电子科技大学和美国佐治亚理工学院从事博士后，2014年4月引进到西南交通大学材料学院教授博导，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Adv. Mater.（IF: 25.809）, ACS Nano (IF: 13.903），Nano Lett.（IF：12.279）, Adv. Funct. Mater. (IF: 15.621) 等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计150余篇，其中影响因子IF>10论文31篇，ESI高被引论文11篇，引用4900余次(Google Scholar)。主持国家自然基金、四川省“千人计划”创新人才项目、四川省杰出青年基金项目、教育部留学回国人员启动基金项目等多 项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家、教育部长江学者评审专家和国家科技奖评审专家。申请专利40项(已授权18余项)。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能 网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。也是Newscientists（科技媒体世界排名第一，见百度）首次报道西南交通大学的科研工作。相关科研成果在北京科技展和中关村科技展上，受到国务院副总理刘延东、中科院院 长白春礼院士和中科院北京分院院长何岩院士的高度评价，受邀参加中国国际广播电台名人坊节目专访。

论文链接: https://doi.org/10.1021/acsnano.0c01056