微型超級電容器（MSC）作為小型化便攜式/可穿戴電子產品的有希望的候選者而引起了極大的關注，但它們仍然存在電化學性能不理想（例如能量密度不足、倍率性能平庸）的問題，從而阻礙了其廣泛應用。在此，提出了一種通過縮小至量子點尺度、摻雜雜原子以及引入缺陷和官能團來實現協同表面和結構工程策略來調節Ti 3 C 2 T x MXene的物理化學性質。令人鼓舞的是，所得到的基于富缺陷氮摻雜 Ti 3 C 2 T x量子點（QD）的 MSC 具有優異的電化學性能，如大工作電壓（ 離子液體中 3.0 V， 水性電解質中 1.0 V）、完美的矩形即使在 1000 V·s -1 下也能保持 CV 形狀、33.1 F·cm -3的高體積電容以及 10000 次循環后的優異循環穩定性。通過實驗表征和密度泛函理論計算，MSCs的卓越性能主要歸功于Ti 3 C 2 T x QDs的特殊化學態以及獨特的表面和結構特征，它提供了豐富的活性位點，縮短了離子擴散途徑，促進離子/電子傳輸，并提供增強的電容。該工作為高性能MSC的設計提供了新的策略，也為MXene量子點在其他能源相關領域的應用提供了參考。
圖1. (a) Ti 3 C 2 T x QDs的合成過程圖解。(b) Ti 3 C 2 T x納米片的TEM圖像。(b) 中的插圖是相應的低分辨率 TEM 圖像。(cf) Ti 3 C 2 T x QD 不同放大倍數的 TEM 圖像。(g) 合成的Ti 3 C 2 T x QD 的EEL 光譜。(g) 中的插圖是 NK 邊緣。
圖2. (a) Ti 3 C 2 T x QDs 溶液的紫外可見光譜（橙色）和 PL 光譜（藍色）。(a) 中的插圖分別是 Ti 3 C 2 T x QDs 溶液在可見光（左）和紫外光（右）下的照片。(b) Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x納米片對應物的 XRD 圖案。Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x納米片對應物的 XPS 光譜：分別為（c）Ti2p，（d）C1s。(e) Ti箔、TiO 2、Ti 3 C 2 T x QD和Ti 3 C 2 T x納米片的鈦K邊緣XANES 。分別對(f) Ti 3 C 2 T x納米片、(g) Ti 3 C 2 T x QD 和(h) TiO 2進行小波變換。(i) Ti 箔、TiO 2、Ti 3 C 2 T x QD 和 Ti 3 C 2 T x納米片在 R 空間中的 k2 EXAFS 的傅立葉變換。
圖3. (a) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs的 MSC 的制造過程圖示。基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC的叉指電極在不同放大倍率下的 SEM 圖像：（b，c）低放大倍數，（df）高放大倍數。(g) 叉指電極的橫截面 SEM 圖像。(h) 叉指電極的 SEM 圖像及其相應的 Ti、C、N 和 O 元素映射圖像。
圖4. 基于Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 1 M KOH 電解質中不同掃描速率下的 CV 曲線：(a) 1 V·s -1，(b) 10 V·s -1，(c) 100 V· s -1、(d)分別為1000V ·s -1。(e) 固定電勢 (0.5 V) 下的陰極電流對數對掃描速率對數的依賴性 。(f) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的體積電容作為掃描速率的函數。(g) 獲得的MSC在不同恒流密度下的GCD曲線??。(h) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的奈奎斯特圖。(h) 中的插圖是相應的部分放大奈奎斯特圖。(i) 阻抗相位角與頻率的關系圖。
圖5. (a) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 10000 次循環后的電容保持率。(b) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 與其他報道的 MSC 和商業設備的 Ragone 圖進行比較。(c) 兩個串聯 MSC 的示意圖，以及 (d) 與單個器件在 10 V·s -1下的相應 CV 曲線。(e) 兩個并聯 MSC 的示意圖，(f) 與單個器件在 10 V·s -1下相對應的 CV 曲線。
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圖6. EMIMBF 4離子液體中基于Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在不同掃描速率下在 EMIMBF 4離子液體中獲得的基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的 CV 曲線： (a) 1 V·s -圖1中，(b)10V ·s -1、(c) 100V·s -1、(d)1000V ·s -1。(e) 固定電勢 (1.5 V) 下陰極電流的對數對掃描速率對數的依賴性。(f) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的體積電容作為掃描速率的函數。(g) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 的奈奎斯特圖。(g) 中的插圖是相應的部分放大奈奎斯特圖。(h) 阻抗相位角與頻率的關系圖。(i) 基于 Ti 3 C 2 T x QDs 的 MSC 在 EMIMBF 4離子液體中經過 10000 次循環后的電容保留。
圖7 . (a) Ti 3 C 2 T x納米片、(d) Ti 3 C 2 T x QD 和 (g) 氮摻雜 Ti 3 C 2 T x QD的優化側視結構。(b) Ti 3 C 2 T x納米片、(e) Ti 3 C 2 T x QD 和(h) 氮摻雜的Ti 3 C 2 T x QD的總態密度和相應的部分態密度。(c) Ti 3 C 2 T x納米片、(f) Ti 3 C 2 T x QD 和(i) 氮摻雜的 Ti 3 C 2 T x QD表面上 K 離子的擴散能壘。(c)、(f) 和 (i) 中的插圖分別是每種材料及其優化結構相應的有利擴散路徑。
相關科研成果由滑鐵盧大學Aiping Yu，新加坡科技研究局Shibo Xi等人于2024年發表在Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109332）上。原文：Engineered MXene Quantum Dots for Micro-Supercapacitors with Excellent Capacitive Behaviors
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109332
轉自《石墨烯研究》公眾號
