Ti 3 C 2 T X 复合材料制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-04-18 16:28
MXenes作为一种新型二维材料,以高表面积、优异的物理性质,在能量储存和转化领域展现出广阔的应用前景。其中Ti3C2TX是迄今为止研究最广泛的MXene。但MXenes薄片之间的导电性差和片层堆叠严重阻碍了其电容的最大化。此外纯Ti3C2TX的电容值有限,将Ti3C2TX与其它材料复合被认为是一种有效提高储能的策略。基于以上考虑,本论文制备了三种Ti3C2TX复合材料,并将其作为超级电容器电极材料探究其化学性能。（1）为解决铝层完全除去后Ti3C2TX片层堆叠的问题,并进一步提高其比表面积,采用低温氢氧化钠刻蚀Ti3AlC2部分保留其中铝层。通过优化碱刻蚀的时间,获得了具有最优的电化学性能的Ti3C2TX@Al-NaOH-36。在1 MH2S04电解液中,该材料在电流密度为1 A g-1时具有587 F g-1的高比电容值,在电流密度为20Ag-1时经过6000次循环测试后,电容保持率为85.3%。此方法规避了含F试剂的使用,并且合理保留了铝层,抑制了 Ti3C2TX片层的重新堆叠。此外,碱刻蚀使Ti3C2TX@Al材料表面变得粗糙,提供了更大的比表面积和更多的活性位点,使Ti3C2...
【文章来源】：上海师范大学上海市
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于不同存储机制的两种超级电容器的示意图：（a）电化学双电层电容器；（b）
上海师范大学硕士学位论文5纳米材料（图1.2c），也称为单原子层石墨。石墨烯具有高达石2675m2g-1的理论比表面积，理论固有电容可以达到550Fg-1，这为双电层超级电容器中的所有碳基材料设定了电容的上限。石墨烯具有很大的比表面积、良好的柔韧性，优良的导电性，良好的化学和热稳定性以及宽的电势差窗口，是一种性能优异的超级电容器电极材料[22，23]。且石墨烯对孔径分布没有特殊要求，是更适用超级电容器的电极材料。然而由于在制备石墨烯过程中片层会发生重新堆叠，使其有效面积显著减小，导致材料发生不可逆的容量损失，库伦效率低下。研究人员发现将石墨烯与金属氧化物复合能有效防止石墨烯的重新堆叠同时增加了有效比表面积[24]。此外，石墨烯的片层结构和大的比表面积为金属氧化物纳米颗粒均匀分布提供可能，从而抑制金属氧化物的体积变化和凝聚。同时，石墨烯表面的丰富含氧官能团加强了其与金属氧化物之间的键合，形成导电网络便于电子传输，使得复合材料的循环性能、倍率性能、功率密度和能量密度均有明显提高[25]。为石墨烯与其他材料复合提供新的思路。图1.2（a）活性炭；（b）碳纳米管和（c）石墨烯的结构示意图。Fig.1.2Schematicof(a)activatedcarbon;(b)carbonnanotubeand(c)graphene.1.2.3.2金属氧化物电极金属氧化物是典型的赝电容电极材料，通过电极、电解液界面发生的氧化还原反应或化学吸脱附反应进行能量存储，比电容值可达双电层电容器电极材料的10-100倍，目前研究较多的金属氧化物有RuO2、CoO3和MnO2等。其中RuO2具有1000Fg-1的高比电容被广泛研究。此外，RuO2还具有电势窗口宽、质子传导率高、氧化还原反应高度可逆、长循环寿命和高倍率性能优点成为理想的赝电容电极材料。然而钌属于贵金属，?
上海师范大学硕士学位论文9的理想材料，此外d-MXene可独立成膜，无需粘结剂、导电剂和集流体，从而具有更高的体积比电容和体积能量密度。成膜后的MXene材料具有良好的柔韧性，广泛应用于透明电极、柔性屏幕、太阳能电池、可穿戴设备等。常见的成膜方法有真空抽滤、粉刷、旋转滴涂和滚压等（图1.4）[43]。不同方法制备出的MXene薄膜性能不同，真空抽滤和滚压法往往适合制备电池和超级电容器。图1.4MXene导电薄膜的制备方法：（a）真空抽滤；（b）喷涂；（c）粉刷；（d）旋转涂布；（e）滚压。Figure1.4FabricationofelectricallyconductingMXenefilmsvia(a)vacuumassistedfiltration;(b)spray-coating;(c)painting;(d)spincoating;(e)rolling.1.3.2Ti3C2TX及其复合材料在电化学方向的研究应用由于二维材料导电碳层和金属层的存在，独特的电子传输特性使得MXene材料表现出优异的金属导电性。此外，表面大量活性位点和优良的力学性能符合超级电容器对电极材料的要求。因此，MXene材料凭借着导电性好、电荷相应速度快、比表面积大，以及具有赝电容的特性高循环稳定性[44]，尤其是MXene薄膜，具有高的体积/面积比容量和体积/面积能量密度被认为是理想的电极材料。锂离子电池已经广泛应用于各种便携式设备和储能设备。由于现有商用的正负极材料的理论容量较低，难以满足电动汽车等新兴领域的发展需求。MXene的二维层状结构和表面金属活性位点为锂离子的储存和传输提供了丰富的空间通道。理论计算表明，未功能化的MXene材料表现出比石墨更低的锂离子扩散阻力。高的电子传导能力和快速的锂离子扩散能力使得MXene成为非常有潜力的锂离子电池候选电极材料[45]。文献报道MXene材料作为锂离子电池负极时表现出优异的倍率性能[46]。混合超级电容器主?
本文编号：3145796
【文章来源】：上海师范大学上海市
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于不同存储机制的两种超级电容器的示意图：（a）电化学双电层电容器；（b）
上海师范大学硕士学位论文5纳米材料（图1.2c），也称为单原子层石墨。石墨烯具有高达石2675m2g-1的理论比表面积，理论固有电容可以达到550Fg-1，这为双电层超级电容器中的所有碳基材料设定了电容的上限。石墨烯具有很大的比表面积、良好的柔韧性，优良的导电性，良好的化学和热稳定性以及宽的电势差窗口，是一种性能优异的超级电容器电极材料[22，23]。且石墨烯对孔径分布没有特殊要求，是更适用超级电容器的电极材料。然而由于在制备石墨烯过程中片层会发生重新堆叠，使其有效面积显著减小，导致材料发生不可逆的容量损失，库伦效率低下。研究人员发现将石墨烯与金属氧化物复合能有效防止石墨烯的重新堆叠同时增加了有效比表面积[24]。此外，石墨烯的片层结构和大的比表面积为金属氧化物纳米颗粒均匀分布提供可能，从而抑制金属氧化物的体积变化和凝聚。同时，石墨烯表面的丰富含氧官能团加强了其与金属氧化物之间的键合，形成导电网络便于电子传输，使得复合材料的循环性能、倍率性能、功率密度和能量密度均有明显提高[25]。为石墨烯与其他材料复合提供新的思路。图1.2（a）活性炭；（b）碳纳米管和（c）石墨烯的结构示意图。Fig.1.2Schematicof(a)activatedcarbon;(b)carbonnanotubeand(c)graphene.1.2.3.2金属氧化物电极金属氧化物是典型的赝电容电极材料，通过电极、电解液界面发生的氧化还原反应或化学吸脱附反应进行能量存储，比电容值可达双电层电容器电极材料的10-100倍，目前研究较多的金属氧化物有RuO2、CoO3和MnO2等。其中RuO2具有1000Fg-1的高比电容被广泛研究。此外，RuO2还具有电势窗口宽、质子传导率高、氧化还原反应高度可逆、长循环寿命和高倍率性能优点成为理想的赝电容电极材料。然而钌属于贵金属，?
上海师范大学硕士学位论文9的理想材料，此外d-MXene可独立成膜，无需粘结剂、导电剂和集流体，从而具有更高的体积比电容和体积能量密度。成膜后的MXene材料具有良好的柔韧性，广泛应用于透明电极、柔性屏幕、太阳能电池、可穿戴设备等。常见的成膜方法有真空抽滤、粉刷、旋转滴涂和滚压等（图1.4）[43]。不同方法制备出的MXene薄膜性能不同，真空抽滤和滚压法往往适合制备电池和超级电容器。图1.4MXene导电薄膜的制备方法：（a）真空抽滤；（b）喷涂；（c）粉刷；（d）旋转涂布；（e）滚压。Figure1.4FabricationofelectricallyconductingMXenefilmsvia(a)vacuumassistedfiltration;(b)spray-coating;(c)painting;(d)spincoating;(e)rolling.1.3.2Ti3C2TX及其复合材料在电化学方向的研究应用由于二维材料导电碳层和金属层的存在，独特的电子传输特性使得MXene材料表现出优异的金属导电性。此外，表面大量活性位点和优良的力学性能符合超级电容器对电极材料的要求。因此，MXene材料凭借着导电性好、电荷相应速度快、比表面积大，以及具有赝电容的特性高循环稳定性[44]，尤其是MXene薄膜，具有高的体积/面积比容量和体积/面积能量密度被认为是理想的电极材料。锂离子电池已经广泛应用于各种便携式设备和储能设备。由于现有商用的正负极材料的理论容量较低，难以满足电动汽车等新兴领域的发展需求。MXene的二维层状结构和表面金属活性位点为锂离子的储存和传输提供了丰富的空间通道。理论计算表明，未功能化的MXene材料表现出比石墨更低的锂离子扩散阻力。高的电子传导能力和快速的锂离子扩散能力使得MXene成为非常有潜力的锂离子电池候选电极材料[45]。文献报道MXene材料作为锂离子电池负极时表现出优异的倍率性能[46]。混合超级电容器主?
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