超快成形激光诱导合成MXene量子点/石墨烯用于工业化生产透明超级电容器

一、导读

电子产品的未来发展方向是便携、轻薄、柔性和光学透明。因此，透明性、微型化和柔性也成为电源的主要研究方向。透明超级电容器具有超薄、超高透光、超高功率、超高寿命等其他储能设备无法比拟的优点，成为未来透明电子系统的关键部件。而在透明超级电容器的设计中，电极设计尤其重要，因为它需要在能量存储能力和透明度之间做平衡。

已经工业化应用的氧化铟锡透明导电电极由于其固有的脆性和高昂的制备成本，并不适用于柔性电子应用。近年来，透明柔性超级电容器得到了长足的发展，研究者利用石墨烯和碳纳米管等材料来制备电极，通过减少电极厚度、制备金属网络电极来保证透明度。并且，纯碳基材料的电容和体积密度比具有赝电容性质的材料低得多。MXenes是一种具有独特结构的二维材料，无污染，安全，比电容高，受到了透明电极设计方向研究者们的青睐。以前的报道表明，由材料碎片化或量子化产生的纳米间隙可以大大提高透明度。量子点(QDs)材料是一种出色的高度透明的材料，具有纳米级的直径、有用的光学特性，并且比表面积大、边缘易于离子吸附-解吸。目前产生量子点材料的方法中，液体激光烧蚀作为一种潜在的环境友好、原位可控的量子点制备方法，引起了人们的注意。然而，由于传统激光器聚焦范围有限，在液体环境下强度减弱，制备量子点的烧蚀效应有限，严重限制了量子点的加工效率和成品率。此外，采用该方法一步完成制备的难度较大。

二、成果掠影

北京理工大学姜澜教授团队报道了一种飞秒激光原位方法，制备了MXene量子点(MQD)/激光还原氧化石墨烯(LRGO)透明柔性超级电容器，表现出了优异的电化学性能和透明度。

相关研究工作以“Ultrafast Shaped Laser Induced Synthesis of MXene Quantum Dots/Graphene for Transparent Supercapacitors”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。

三、核心创新

报道了一种制备透明电化学储能装置的新方法，研究结果为量子电容效应提供了更深入了解。该方法是一种利用飞秒激光光化学合成MXene量子点，均匀附着在具有优异电化学电容和超高透明度的激光还原氧化石墨烯(LRGO)上的方法，该方法制备了具有高电化学性能和透明性的纳米结构复合电极材料。同时对合成过程的机理和等离子体动力学进行了分析。该柔性透明超级电容器制备简单，具有超高透明度(90%以上)、具有优异的能量和功率密度(分别为2.04 × 10^-3和129.4 μWh cm^-2)和较长的循环寿命(12 000次循环后97.6%)。此外，通过控制MQD/LRGO的喷洒量，可以有效地调节超级电容器的电化学电容和透明度。透射率为91%和53%的器件的面电容分别为10.42 mF cm^-2和64.6 mF cm^-2。

四、数据概览

图1 三种不同类型激光在氧化石墨烯色散溶液中处理MXene靶的原理图和过程机理。a)高斯激光器的过程机理和光场模拟图像。b)时间型激光器的过程机理和光场模拟图像。c)时间型和空间型激光的过程机理和光场模拟图像。d-f)三种不同类型激光器的光场模拟图像，材料经过一定时间处理后的对比照片，以及扫描电子显微镜照片和x射线光电子能谱表征。© 2022 John Wiley & Sons

图2 MQD/LRGO复合材料形成过程示意图。a)局部放大的氧化GO分散体和MXene靶的TSBL局部放大图。b)不同时延在界面的等离子体成像。c) MXene靶体/GO悬浮界面等离子体喷发图像。© 2022 John Wiley & Sons

图3 三种不同类型激光加工MQD/LRGO复合材料的效果比较。a) TSBL处理过程。b,c) MXene、GO、GL-MQD/LRGO、TL-MQD/LRGO、TSBL-MQD/LRGO的拉曼光谱。d) MXene、GO、GL-MQD/LRGO、TL-MQD/LRGO、TSBL-MQD/LRGO的x射线衍射(XRD)图谱。e) MXene、GO、GL-MQD/LRGO、TL-MQD/LRGO、TSBL-MQD/LRGO的XPS测量谱。© 2022 John Wiley & Sons

图4 用TSBL对MQD/LRGO进行了分析和光谱表征。a) MQD/LRGO的截面SEM图像。b,c) LRGO上附着MQD的表面的SEM图像。d)加载MQD后有褶皱的LRGO的FE-SEM图像。e) LRGO上TSBL-MQDs的透射电镜(TEM)图像。f) LRGO和MQD晶格的HRTEM图像。g,h) TSBL-MQDs结果的原子力显微镜(AFM)图像。i) MXene、GO、GL-MQD/LRGO、TL-MQD/LRGO、TSBL-MQD/LRGO的傅里叶变换红外(FTIR)光谱。j) MXene、GO、GL-MQD/LRGO、TL-MQD/LRGO、TSBL-MQD/LRGO的UV-vis吸收图谱。k) TSBL-MQDs的光致发光(PL)光谱(实线)和PL激发(PLE)(虚线)。l) TSBL-MQDs的生命期。© 2022 John Wiley & Sons

图5 不同激光制备的MQD/LRGO超级电容器的电化学表征。a) MQD/LRGO透明柔性固态超级电容器制备过程演示示意图。b,c)不同MQD/LRGO超级电容器在20 mV s^-1和0.64 mA时的循环伏安(CV)和恒流充放电(GCD)图。d)通过CV曲线和GCD曲线得到不同MQD/LRGO超级电容器的面积比电容。e-g)扫描速率为1 ~ 50 000 mV s^-1时TSBL-MQD/LRGO超级电容器的CV曲线。h)不同扫描速率下的面积电容和重量电容。i)在1.2 V电压窗口下，电流密度为0.6 ~ 1.2 mA cm^-2的TSBL-MQD/LRGO超级电容器的GCD剖面。j)不同电流密度下的面积电容和重量电容。© 2022 John Wiley & Sons

图6 TSBL-MQD/LRGO超级电容器的光学和电化学性能。a,b)柔性、透明的MQD/LRGO在PET衬底上的照片，显示出高透光率。c)采用300 ~ 800 nm不同激光制备的MQD/LRGO混合薄膜的透射率。d)不同MQD/LRGO超级电容器的Nyquist图(图示为等效电路模型)。e)超级电容器在不同弯曲状态下与扁平状态下的电容保留比较。f) TSBL-MQD/LRGO超级电容器的循环寿命。g)不同透射率的TSBL-MQD/LRGO超级电容器的面电容测量值。h)不同透明超级电容器实测面电容比较。i) TSBL-MQD/LRGO超级电容器的Ragone图，以及与其他透明超级电容器的比较。© 2022 John Wiley & Sons

五、成果启示

文章展示了一种既具有高透明度又具有高能量存储能力的超级电容器的新合成方法，该方法首次应用飞秒激光合成复合电极材料。文章从四个维度详细解释了成形激光对复合电极材料的调控，对QD产生机理有了新的认识，并结合多种方法对材料的合成过程进行了多维度的观察和分析。实验获得的纳米级均匀分布的MQD，具有丰富的有源边缘位点，高载流子迁移率，以及连接在LRGO上的大SSA，具有良好的导电性和灵活性，出色的机械弯曲性和长期循环稳定性。这些发现证明了这种新方法在纳米结构复合材料的设计和开发中实现工程2D材料的有效性，可应用于未来工业生产，并为量子电容效应提供了更深刻的理解。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202110013

本文由雾起供稿。