二維碳化鈦納米材料的改性及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、近期，二維過(guò)渡金屬碳化物（MXenes）在能量?jī)?chǔ)存應(yīng)用中是一種富有前景的電極材料。作為 MXenes家族最有前景的一員，Ti3C2作為有前景的電極材料得到了廣泛研究，并應(yīng)用于超級(jí)電容器。然而，由于其相對(duì)低的比表面積和電子導(dǎo)電性，多層Ti3C2表現(xiàn)出較差的容量性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究腐蝕時(shí)間對(duì)Ti3C2合成的影響，結(jié)果表明：腐蝕時(shí)間能夠改變Ti3C2的形貌、表面官能團(tuán)以及電化學(xué)性能等。腐蝕時(shí)間為216h的Ti3C2（T

2、i3C2-216）在5mVs-1下展現(xiàn)出118 F g-1的高比容量，而且其擁有良好的速率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。電化學(xué)性能的提高主要源于：高的碳含量提供更好的導(dǎo)電性和更快的電子傳輸，以及更大的比表面積提供更多電極與電解液的通道。這為制備更高性能的Ti3C2基納米電極材料奠定了基礎(chǔ)。⑵為進(jìn)一步提高電極材料的比表面積，利用簡(jiǎn)單的原位水解和熱處理方法，制備出TiO2納米顆粒修飾層狀Ti3C2的納米復(fù)合材料（TiO2-Ti3C2）。結(jié)果表明：TiO

3、2-Ti3C2納米復(fù)合材料在5mVs-1下展現(xiàn)出143Fg-1的高比容量，和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。TiO2納米顆粒的引入可以提供更大的比表面積以提供更多的活性位點(diǎn)，提供額外電解液的擴(kuò)散通道，和作為層間間距器防止片層的坍塌，協(xié)同地作用，從而導(dǎo)致TiO2-Ti3C2納米復(fù)合材料電化學(xué)性能的顯著提高。這表明TiO2-Ti3C2可以作為一種高性能超級(jí)電容器的電極材料。⑶為增加材料的層間距和贗電容，利用簡(jiǎn)單的液相沉淀法和熱處理過(guò)程制備出 MnO2納米

4、顆粒改性的Ti3C2基納米復(fù)合材料（MnO2-Ti3C2）。結(jié)果表明：MnO2納米顆粒能夠增加 Ti3C2的層間距，提供更多電荷存儲(chǔ)空間。最終，MnO2-Ti3C2納米復(fù)合材料展現(xiàn)了優(yōu)異的電容性能，在5mVs-1時(shí)面積容量達(dá)到377mFcm-2，及其高的速率性能，和良好循環(huán)穩(wěn)定性。性能的改善主要源于層間距的擴(kuò)大有助于更多的 K+嵌入插層，和導(dǎo)電基體提供的更快的電子擴(kuò)散。這表明 MnO2-Ti3C2納米復(fù)合材料可為高性能超級(jí)電容器提供可能

5、。⑷為進(jìn)一步提高材料的導(dǎo)電性和贗電容，以尿素為氮源，通過(guò)簡(jiǎn)單的一步水熱法制備了氮摻雜Ti3C2納米片 N-Ti3C2。結(jié)果表明：氮原子成功并均勻地?fù)诫s進(jìn)Ti3C2基體內(nèi)。N-Ti3C2能夠提供更高的比容量（在掃描速率為5 mV s-1時(shí)達(dá)到156 F g-1），和良好的速率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。N-Ti3C2電化學(xué)性能提高的主要原因是：導(dǎo)電性的增加；含氮基團(tuán)提供的額外贗電容；晶面間距的擴(kuò)大提供了更多K+的插層，協(xié)同地作用。這表明N-Ti3C