北科納米可提供NiMn-LDH@MXene（可定制）

【研究背景】

?由于近年來氣候變化和化石能源的快速消耗，迫切需要可持續(xù)和可再生資源。一些替代的電化學(xué)裝置，例如燃料電池，太陽能電池，鋰離子二次電池，鋅離子二次電池和超級電容器已經(jīng)用于能量轉(zhuǎn)換和存儲。在這些設(shè)備中，超級電容器（SC）因其較高的功率密度（比電池高10至100倍），更好的循環(huán)性能（比電池高100-1000倍），充電和放電速度更快而作為一種有前途的替代品而受到廣泛關(guān)注。盡管如此，我們?nèi)匀恍枰岣逽C的性能，以滿足人類對生產(chǎn)和生活的更高要求。

?根據(jù)儲能機(jī)理的不同，SC可以分為兩類：雙電層電容器（EDLC）和法拉第贗電容器。前者主要通過吸收電極表面的靜電荷產(chǎn)生能量，通常電極的材料為純碳基材料，例如活性炭（AC），石墨烯和碳納米管。除了這些常規(guī)材料外，MXene作為2D材料家族的新候選者，最近在能量存儲設(shè)備中引起了廣泛關(guān)注。而純MXene（Ti3C2）的比電容較低（246 F g-1），從而限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用在能量存儲中。盡管法拉第贗電容器的材料能夠進(jìn)行可逆的氧化還原反應(yīng)，例如鎳金屬（金屬= Co，Mn，Al，F(xiàn)e等）層狀雙氫氧化物（LDH），鎳基氧化物和硫化物， LDH由于其出色的陰離子插入，快速的氧化還原反應(yīng)和高電容量而被公認(rèn)為具有高潛力的材料。鎳錳LDH（NiMn-LDH）具有出色的電化學(xué)性能，因為這些鎳和錳離子提供了額外的氧化還原反應(yīng)以及鎳和錳氫氧化物之間的協(xié)同作用。然而，NiMn-LDH的較差的電荷電導(dǎo)率，較低的穩(wěn)定性和倍率性能限制了其實際的儲能應(yīng)用。

【成果簡介】

最近，朱拉隆功大學(xué)Jiaqian Qin教授課題組和燕山大學(xué)Xinyu Zhang教授課題組合作在國際知名學(xué)術(shù)期刊ACS Applied Energy Materials上發(fā)表一篇題目為：NiMn-LDH Nanosheets In-situ Anchored on Ti3C2?MXene via Chemical Bonds for Superior Supercapacitors的研究論文，該研究通過化學(xué)鍵將NiMn-LDH納米片原位固定在MXene片（NiMn-LDH / MXene雜化納米復(fù)合材料）上，并證明了NiMn-LDH納米片在MXene片上的生長機(jī)理。由異質(zhì)成核過程產(chǎn)生的雜化結(jié)構(gòu)通過MXene和NiMn-LDH之間的化學(xué)鍵表現(xiàn)出優(yōu)異的界面相互作用。它可以有效地防止NiMn-LDH納米片和MXene片同時發(fā)生團(tuán)聚和重新堆疊，從而可以確?；钚圆课怀浞直┞?。并且可以大大提高雜化復(fù)合材料的導(dǎo)電性和可逆性。

【圖文導(dǎo)讀】

方案1.?NiMn-LDH / MXene雜化納米復(fù)合材料的示意圖

圖1.（a）Ti3AlC2，塊狀Ti3C2MXene和MXene的XRD圖 （b）5°至10°的部分XRD圖; （c）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene雜化納米復(fù)合材料的XRD圖譜；（d）5°至8°和40°至44°的部分XRD圖

圖2.相應(yīng)樣品的SEM圖像和元素衍射圖

圖3.相應(yīng)樣品的TEM圖像

圖4.（a）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene雜化納米復(fù)合材料的拉曼光譜；（b）MXene，NiMn-LDH，NiMn-LDH / MXene 2：1和MM NiMn-LDH / MXene 2：1的EPR測試；（c）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene 2：1的XPS圖譜；（d）MXene和NiMn-LDH /MXene 2：1的Ti 2p和（e）C 2s XPS圖譜；（f）NiMn-LDH和NiMn-LDH / MXene 2：1的O 1s XPS光譜；（g）NiMn-LDH和MXene之間化學(xué)鍵連接的示意圖

圖5.（a）N2的吸附和解吸等溫線；（b）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene 2：1的孔徑分布

圖6.（a）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene雜化納米復(fù)合材料的CV曲線 （b）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene雜化納米復(fù)合材料的GCD曲線；（c）NiMn-LDH / MXene 2：1在不同掃描速率下的CV曲線；（d）在不同電流密度下NiMn-LDH/ MXene 2：1的GCD曲線；（e）比較不同電流密度下的比電容；（f）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH / MXene雜化納米復(fù)合材料的電容保持率比較

圖7.（a）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene 2：1的奈奎斯特圖，以及（b）NiMn-LDH / MXene 2：1在 10000次循環(huán)中的循環(huán)性能（c）在掃描速度為5.0 mV s-1時NiMn-LDH / MXene 2：1的電容電荷存儲貢獻(xiàn)；（d）在不同掃描速率下MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene 2：1的電容的歸一化貢獻(xiàn)

圖8.（a）NiMn-LDH / MXene 2：1充放電過程中不同階段的異位XRD圖譜；（b）1000次循環(huán)后，NiMn-LDH / MXene 2：1的Ni 2p，（c）Mn 2p，（d）O 1s XPS圖譜；NiMn-LDH / MXene 2：1循環(huán)前后的SEM圖像（e）和（f）; NiMn-LDH循環(huán)前后的SEM圖像（g）和（h）; （i）NiMn-LDH /MXene 2：1中氧化還原反應(yīng)示意圖

圖9.（a）AC // NiMn-LDH / MXene 2：1 ASC器件示意圖；（b）AC電極和NiMn-LDH /MXene 2：1電極CV曲線；（c）AC// NiMn-LDH / MXene 2：1 ASC設(shè)備在不同掃描速率下的CV曲線；（d）所有ASC設(shè)備的CV曲線；（e）在電流密度為0.5 A g-1時所有ASC器件的GCD曲線，以及（f）在不同電流密度下所有ASC器件的比電容的比較

圖10.（a）AC// NiMn-LDH / MXene 2∶1 ASC器件循環(huán)穩(wěn)定性（b）制成的AC// NiMn-LDH / MXene 2：1 ASC器件的能量密度和功率密度的RAgone圖，以及（c）與其他ASC器件的性能比較；（d）三個串聯(lián)的AC//NiMn-LDH / MXene 2：1 ASC器件點亮的LED的照片

【本文總結(jié)】

通過原位結(jié)晶在MXene納米片表面固定了化學(xué)分散的NiMn-LDH納米片的NiMn-LDH / MXene雜化復(fù)合材料，并作為SC和ASC的工作電極表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。NiMn-LDH / MXene雜化復(fù)合材料的這種化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點。受益于這些優(yōu)勢，NiMn-LDH / MXene 2：1在0.5 A g-1時顯示出1575 F g-1的優(yōu)異倍率性能，在20 A g-1時顯示出更好的電容保持率，超過了原始NiMn-LDH81％ （在0.5 A g-1下為689F g-1）和MXene（在0.5 Ag-1下為192 F g-1）。此外，NiMn-LDH / MXene 2：1的循環(huán)穩(wěn)定性在10000次循環(huán)后在5.0 A g-1的電流密度下保持在90.3％。相應(yīng)的ASC器件（AC//NiMn-LDH / MXene 2：1）進(jìn)一步顯示了超級電容器的優(yōu)異性能，在0.5 A g-1時的比電容為169.8 F g-1，在2 A g-1下10000次后電化學(xué)循環(huán)性能保持在91.8％。此外，在0.74 kW kg-1的功率密度下，它具有126 Wh kg-1的高能量密度。該研究為設(shè)計用于高效電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和存儲裝置的復(fù)合電極提供了一種新方法。

文獻(xiàn)鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsaem.0c00863