Nature子刊：基于二维材料的逐层分级多孔碳材料有效提升超级电容器长循环稳定性

【引言】

近年来，二维材料以其巨大的表面积，柔性的层状通道和可调控的电子结构在便携电子产品和柔性可穿戴设备等领域展现出了巨大的应用潜力和广阔的发展前景。其中，MXene作为二维材料家族的新成员，具有接近金属的电子导电率，这一性质远高于过渡金属氧化物/硫化物、石墨烯等其他二维材料。同时，亲水处理的MXene当作为超级电容器的电极材料时，它表现出了良好的电化学性能，远远优于碳基材料，受到了研究人员的广泛关注。

MXene通常是指通过对体相MAX刻蚀后，得到的二维M_n+1X_nT_x复合材料，其中M代表前过渡金属，X代表氧或氮，T代表-OH，-F等表面官能团，n=1，2，3。目前，已经有超过70种不同的纯MAX相被相继报道。

【成果简介】

近日，日本国立物质材料研究所（NIMS）Yusuke Yamauchi教授和南京航空航天大学张校刚教授（共同通讯作者）团队合作，通过设计二维有序介孔碳层填充进MXene层间空隙，制备出了“2D-2D”异质结构。其中，二维有序介孔碳层不仅可以有效阻止MXene层间团聚；同时，高度互联的多孔网状结构也缩短了离子的扩散路径，提高了电子的传输速度。该方法有效地提高了MXene片层的循环稳定性，在4 A g^-1电流密度下，经7000次循环，电容保持率为98%。该成果以“Hierarchical porous carbons with layer-by-layer motif architectures from confined soft-template self-assembly in layered materials”为题于2017年6月12日发表在期刊Nature Communications上。

【图文导读】

图一：MDC-OMC的制备流程示意图

a）F127单聚体和酚醛树脂小分子渗透进入Ti₃C₂T_x层间；

b）经烘干蒸发，在Ti₃C₂T_x层间形成二维有序的胶束@酚醛树脂结构 （Mxene-F127 micells@resol）；

c）经热处理后，胶束@酚醛树脂转变为有序介孔碳（Mxene-OMC）；

d）通过刻蚀，形成具有分级介孔结构的多孔材料（MDC-OMC）。

图二：材料的形貌和结构表征

（a-b）Ti₃C₂T_x横截面的SEM和TEM图像；

（c-d）Ti₃C₂T_x-OMC横截面的SEM和TEM图像；

（e-f）MDC-OMC横截面的SEM和TEM图像；

（g-h）MDC-OMC顶视角的SEM和TEM图像。

其中，图a，c，e，g标尺为100 nm；图b，d，f，h标尺为20 nm。

图三：MXene-OMC的电化学性能研究

（a）在5 mV s⁻¹扫描速度下Ti₃C₂T_x-OMC，Ti₃C₂T_x/OMC，Ti₃C₂T_x和 OMC的CV曲线；

（b）不同电流密度下Ti₃C₂T_x-OMC，Ti₃C₂T_x/OMC，Ti₃C₂T_x和OMC的质量比电容曲线；

（c）不同电流密度下Ti₃C₂T_x-OMC，Ti₃C₂T_x/OMC，Ti₃C₂T_x和OMC的体积比电容曲线；

（d）Ti₃C₂T_x-OMC和Ti₃C₂T_x及其在高频区放大的奈奎斯特曲线。

图四：MDC-OMC的电化学性能研究

（a）在不同扫描速度下，MDC-OMC的CV曲线；

（b）在不同电流密度下，MDC-OMC的GCD曲线；

（c）在不同电流密度下，MDC-OMC，MDC/OMC，MDC和OMC的质量比电容（实心符号）和比表面积归一化电容（空心符号）的比较曲线；

（d）在不同电流密度下，MDC-OMC，MDC/OMC，MDC和OMC的体积比电容曲线；

（e）MDC-OMC，MDC及其高频区放大的奈奎斯特曲线；

（f）MDC-OMC循环性能曲线，插图为在4 A g^-1电流密度下，第1圈与第7000圈的充放电曲线对比图。

【小结】

该研究通过组装二维Ti₃C₂T_x与二维有序介孔碳层的方法成功制备了“2D-2D”异质结复合材料。当用作超级电容器电极材料时，该材料由于物质间的协同作用表现出了良好的电容性能和超长的循环稳定性。值得注意的是，该方法为其他二维复合材料的制备提供了新的思路。

文献链接：Hierarchical Porous Carbons with Layer-By-Layer Motif Architectures from Confined Soft-Template Self-Assembly in Layered Materials (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/ncomms15717)

本文由材料人编辑部郭静编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！