由于層狀材料中大尺寸半徑的鉀離子的反應動力學緩慢，水性鉀離子混合超級電容器（PIHC）的能量密度受到嚴重限制。同時，缺陷的處理對于儲能材料來說是一把“雙刃劍”，需要有針對性、精準調控。為了解決這一問題，利用碳空位缺陷調節策略構建了多層六角孔MXene陷阱，并在PIHCs中實現了高比電容和能量密度的鉀離子存儲。結合六方孔MXene陷阱內壁新暴露的鈦原子價態變化引起的贗電容效應，闡明了原子水平上的構效關系。利用密度泛函理論，計算了多層六方孔MXene對鉀離子的吸附能和動力學分析，確定了鉀離子的最佳位置和數量。通過電子能帶結構和差分電荷密度的定量分析，揭示了多層六方孔MXene PIHCs高電導率和能量密度的內在機制。
圖1.電極材料的微觀結構和形貌。 (a-c) 空位-Ti3AlC2、空位-Ti3C2 和普通-Ti3C2 的色散。 (d) 普通 Ti3C2 的形態。 (e-i) 空位-Ti3C2 的形態。 (j,k) 空位-Ti3AlC2 的高分辨率透射電子顯微鏡和局部放大圖像。 (l) 空位-Ti3AlC2 的選擇性電子衍射圖像。
圖2.電極材料的結構演變。 (a-c) 空位-Ti3AlC2、普通-Ti3C2、普通-Ti3AlC2 和空位-Ti3C2 的 XRD 圖案。 (d) 常規制備的Normal-Ti3AlC2 的分子結構。 (e) 高溫液氮快速冷卻下空位-Ti3AlC2 的分子結構。 (f) 微波輔助蝕刻后的空位-Ti3C2 分子結構。 (g-i)空位-Ti3C2和普通-Ti3C2的峰(002)、(004)和(006)的XRD局部放大圖。
圖3.從MAX Ti3AlC2到多層六角孔MXene Ti3AlC2的碳空位缺陷排序機制示意圖。 (a)點缺陷示意圖。 (b-e) Ti3AlC2分子結構立體側視圖、側視圖、立體俯視圖和無缺陷俯視圖。無缺陷Ti3AlC2分子結構俯視圖示意圖。 (f) 傳統Normal-Ti3AlC2分子結構的俯視示意圖。 (g-i) Vacancy-Ti3C2分子結構俯視方向形成小六方孔的示意圖
圖4. Vacancy-Ti3C2 和Normal-Ti3C2 中鉀儲存的電化學測試。 (a) 空位-Ti3C2 和普通-Ti3C2 在掃描速率 90 mV/s 下的循環伏安 (CV) 曲線。 (b) Vacancy-Ti3C2 在 10 mV/s 至 90 mV/s 掃描速率下的 CV 曲線。 (c) Vacancy-Ti3C2在不同電壓下的擬合b值曲線。 (d) 不同掃描速率下空位-Ti3C2 的電容貢獻圖。 (e) 空位-Ti3C2 的表面電容貢獻圖。 (f) Normal-Ti3C2 的表面電容貢獻圖。 (g) Vacancy-Ti3C2 和 Normal-Ti3C2 在電流密度 2.5 A/g 下的恒電流充電/放電 (GCD) 曲線。 (h) 電流密度為 2.5 A/g 至 6.5 A/g 時空位-Ti3C2 的 GCD 曲線。 (i) Vacancy-Ti3C2 和 Normal-Ti3C2 的多重性能圖。
圖5. Vacancy-Ti3C2水性混合軟包超級電容器的鉀離子存儲性能。 (a)軟包超級電容器示意圖。 (b,c)Vacancy-Ti3C2混合軟包超級電容器照明LED和軟屏的實際應用。 (d) 鉀離子水混合軟包超級電容器在掃描速率 50 mV/s 下的 CV 電壓范圍曲線。 (e) 掃描速率為 10 mV/s 至 90 mV/s 的鉀離子水混合軟包超級電容器的 CV 曲線。 (f) 鉀離子水混合軟包超級電容器在電流密度從 2.5 A/g 到 6.5 A/g 時的 GCD 曲線。 (g) 空位-Ti3C2 和普通-Ti3C2 的EIS。 (h) (g) 高頻區域的放大倍數。 (i) Vacancy-Ti3C2 的 N2 吸附和解吸等溫線。 (j) 鉀離子水混合軟包超級電容器10,000次循環的比電容曲線。 (k)鉀離子水混合軟包超級電容器的能量密度和功率密度之間的關系。
圖6 多層六方孔Vacancy-Ti3C2吸附鉀離子機理示意圖。 (a) 沒有碳缺陷的未吸附鉀和吸附鉀位置模型。 (b-d) 無缺陷的吸附 H1、H2 和 H3 位置模型。 (e-g) H3 位置 1、3 和 5 碳空位缺陷吸附模型。
圖7. Vacancy-Ti3C2吸附不同空位鉀離子的電荷差密度和c軸截面電荷增益/損失圖。 (a,d,g)具有1、3、5個碳空位的Vacancy-Ti3C2的三維電荷差密度圖。 (b、e、h)具有1、3、5個碳空位的空位-Ti3C2的C軸橫截面電荷增益/損失圖。 (c,f,i)具有1、3、5個碳空位的Vacancy-Ti3C2的二維橫截面電荷差密度圖。
圖 8. Vacancy-Ti3C2 模型的能帶結構和 PDOS。 (a, e, i, m) 具有 0、1、3、5 個碳空位的空位-Ti3C2 的能帶放大率。 (b, f, j, n) 具有 0、1、3、5 個碳空位的空位-Ti3C2 的 PDOS。 (c, g, k, o) 具有 0、1、3、5 個碳空位的碳空位-Ti3C2 的 PDOS。 (d, h, l, p) 具有 0、1、3、5 個碳空位的鈦空位-Ti3C2 的 PDOS。
相關科研成果由遼寧工業大學Wei Zhang等人于2024年發表在Energy Storage Materials（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103485）上。原文：Multi-layers hexagonal hole MXene trap constructed by carbon vacancy defect regulation strategy enables high energy density potassium-ions storage
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103485
轉自《石墨烯研究》公眾號
