MXene的幾何式的爆發發展使其在包括但不限于儲能在內的眾多應用中成為一種明星材料。研究發現，孔結構調制工程可以改善MXene的固有性能，從而顯著提高其電化學性能。然而，目前的大部分工作都集中在探索MXene單尺度孔隙結構調控的結構-效應關系。受自然界中發現的生物的高度分級結構和用于實現有效擴散和最大質量傳遞的Murray定律的啟發，我們構建了一個跨微-中-大孔的分級互聯多孔MXene電極。這種基于mxene的電極提供了大量的活性位點，同時大大縮短了離子擴散通道。最后，基于該MXene電極的鋅離子微電容器在功率密度為2100µW cm
−2的情況下，表現出超高的面積比電容(410 mF cm
−2)和能量密度(103µWh cm
−2)。其面能量密度優于目前報道的鋅離子微電容器。本文支持電極材料(包括但不限于MXene)實現超短離子擴散通道和最大傳輸效率的有效策略，用于下一代高性能能量存儲。
圖1 a) PM/CNF泡沫的制備及基于PM/CNF泡沫的ZIMC組裝示意圖。b) PM/ CNF泡沫基ZIMC陣列和單叉指電極的照片。c)基于PM/CNF泡沫的ZIMC的SEM圖像。d) PM/CNF薄膜和PM/CNF泡沫的電極結構示意圖及相應的局部結構放大示意圖。e)葉片的葉脈相互交錯，形成相互連接的孔隙度分級網絡，以最大限度地傳遞養分。f)相互連接的層次狀多孔結構是植物進化出的實現最佳光合作用的途徑。
圖2. SEM圖像和粒徑分布直方圖以及相關的形貌結構表征。
圖3 a)多尺度上從單一大孔隙到相互連通的孔隙結構的層級孔隙網絡模型。b)單一微孔、微中孔和微中大孔3種不同的多孔網絡模型的離子轉運路徑。c)氣體發泡技術機理圖，包括氣核生成和氣體向外擴散。d) Ti3AlC2相、MXene、PM、PM/CNF膜和PM/CNF泡沫的XRD圖案。e) MXene、PM、PM/CNF膜和PM/CNF泡沫的XPS光譜，f)高分辨率C 1s和g)高分辨率Ti 2p。
圖4. a)充電過程中ZIMC內離子傳輸示意圖。b) CV曲線;c) GCD曲線;d) MXene膜、PM膜、PM/CNF泡沫的電容。e)不同掃描速率下的CV曲線，f)不同電流密度下PM/CNF泡沫基ZIMC的GCD曲線。g)基于PM/CNF泡沫的ZIMC和基于不同電極材料的微超級電容器(MSCs)的Ragone圖。h)基于MXene膜、PM膜和PM/CNF泡沫的zimc的奈奎斯特圖。i)通過GCD和OCV測試的PM/CNF泡沫基ZIMC的自放電率。j) PM/CNF泡沫電極基ZIMC的自放電率與已發表文獻報道的電容器相比，以及抗自放電機理示意圖。
圖5 a) PM/CNF泡沫基zimc串聯、并聯時的CV曲線。b) CV曲線;c)不同彎曲角度下PM/CNF泡沫電極基zimc的GCD曲線。d) pu涂層PM/CNF泡沫基ZIMC的自修復光學圖。e) CV曲線和f) GCD曲線，以及g)每次愈合后pu涂層PM/CNF泡沫基ZIMC的電容保持。h) PM/CNF泡沫基ZIMC的集成外力傳感系統裝配圖和i)裝置電路連接圖。壓力傳感器的當前實時信號，分別為j)指尖輕敲，k)固定恒壓。
相關科研成果由安徽大學物理科學與信息技術研究所Yang Yue等人于2023年發表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202211199)上。原文：Nature-Inspired Interconnected Macro/Meso/Micro-Porous MXene Electrode。
轉自《石墨烯研究》公眾號
