作為一種高性能、低成本、環(huán)境友好的儲(chǔ)能器件，超級(jí)電容器由于其高功率密度、快速充放電能力、優(yōu)異的可逆性和超長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)今，越來越多的電子設(shè)備聚焦物理尺寸的小型化、微型化、柔性化，為此，開發(fā)一種新的大密度、高體積、高能量、高密度的柔性電極材料迫在眉睫。而作為一類新奇的二維納米材料，MXenes就可擁有上述諸多優(yōu)點(diǎn)。

MXenes是一種過渡金屬碳化物或氮化物，擁有層狀結(jié)構(gòu)、大的密度和比表面積，高的導(dǎo)電性和潤(rùn)濕性，以及相對(duì)好的化學(xué)穩(wěn)定性，因而被廣泛應(yīng)用于離子電池、超級(jí)電容器、電催化、傳感器等領(lǐng)域。通常，二維納米材料能夠通過剝離團(tuán)聚的納米片、調(diào)控表明官能團(tuán)、引入雜原子等方法提升其電化學(xué)性能。
非原位氮摻雜Ti3C2柔性電極的儲(chǔ)能原理、電化學(xué)性能及其器件性能圖

近日，西安交通大學(xué)闕文修教授課題組通過簡(jiǎn)單可控的非原位溶劑熱方法成功合成了一種柔性、自支撐、致密的氮摻雜Ti3C2膜電極材料，并組裝成對(duì)稱超級(jí)電容器。相比原位摻雜氮元素，非原位溶劑熱法不僅能獲得超高的體積容量，而且對(duì)氮摻雜Ti3C2膜的成膜性幾乎沒影響。同時(shí)，柔性電極的高密度和優(yōu)異質(zhì)量容量使其體積容量突破記錄，即其電容性能在5 mV s-1時(shí)超過2800 F cm−3，這在目前已報(bào)道的MXenes基材料中性能最高，且擁有優(yōu)異的循環(huán)壽命。組裝成對(duì)稱超級(jí)電容器同樣擁有令人興奮的體積能量密度(76 Wh L−1)和功率密度(31112 W L−1)，這些與報(bào)道的MXenes、含氮碳基材料對(duì)稱超級(jí)電容器相比性能更加優(yōu)異。因此，采用非原位氮摻雜法對(duì)剝離的Ti3C2納米片進(jìn)行改善的簡(jiǎn)單方法，可以為其它MXenes體系的開發(fā)提供新的機(jī)會(huì)，也將為電化學(xué)能儲(chǔ)器件如電化學(xué)電容器、各種離子電池等體積性能的改進(jìn)提供一種可能。

上述研究成果以“Flexible Nitrogen-Doped 2D Titanium Carbides (MXene) Films Constructed by an Ex Situ Solvothermal Method with Extraordinary Volumetric Capacitance”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Energy Materials(IF=21.875)上。西安交通大學(xué)電信學(xué)院博士生楊晨輝為本文第一作者，闕文修教授為本文的唯一通訊作者，西安交通大學(xué)為本文的唯一署名單位。該研究工作是闕文修教授課題組在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域多項(xiàng)研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials，Journal of Materials Chemistry A，Journal of Power Sources等國(guó)際著名期刊后的又一突破性成果。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、陜西省國(guó)際科技合作項(xiàng)目和國(guó)家111計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。