【摘 要】
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近年来,MXene作为一类新型二维过渡金属碳化物/氮化物材料,凭借优良的导电性、亲水性、成分丰富可调等优点,吸引了众多研究者的目光,相关研究涵盖储能、催化和等领域。其中,MXene在超级电容器方面展现出巨大前景。然而,MXene塌缩和堆垛导致比表面积减小、官能团化导致电导率降低等问题,限制了其电化学性能的充分发挥。异质原子掺杂是一种常见的改性方式,通过调控二维材料的结构和电子输运能力从而改善电化学
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近年来,MXene作为一类新型二维过渡金属碳化物/氮化物材料,凭借优良的导电性、亲水性、成分丰富可调等优点,吸引了众多研究者的目光,相关研究涵盖储能、催化和等领域。其中,MXene在超级电容器方面展现出巨大前景。然而,MXene塌缩和堆垛导致比表面积减小、官能团化导致电导率降低等问题,限制了其电化学性能的充分发挥。异质原子掺杂是一种常见的改性方式,通过调控二维材料的结构和电子输运能力从而改善电化学性能。现有研究表明,对MXene进行氮掺杂处理可以明显改善其导电能力和电化学性能,但氮元素的掺杂机理以及其对MXene基超级电容器电学性质和电化学性能的影响机制目前尚未有定论。本文结合第一性原理计算和实验研究两种手段,揭示Ti3C2Tx(T=-F,-OH,-O)中氮掺杂机理并分析氮掺杂对Ti3C2Tx电化学性能的影响。第一性原理计算结果表明氮原子共有三种存在形式:晶格取代、官能团取代和表面吸附。其中,表面吸附型氮掺杂可以提高Ti3C2Tx的导电能力。相应的,在实验中采用三种氮掺杂工艺制备得到氮原子在特定位置的N-Ti3C2Tx(原位刻蚀法,水热处理和低温等离子体处理)。微观组织分析和电化学性能测试结果表明,氮掺杂可以增大d-Ti3C2Tx的层间距并提高电化学性能。在同一扫描速率下,N-Ti3C2Tx的比容量均高于Ti3C2Tx。在扫描速率为5 m V s-1时,Ti3C2Tx、Ti3CNTx、水热处理氮掺杂(HND)和等离子体处理(PND)氮掺杂Ti3C2Tx的比容量分别为101.6 F g-1,186.5 F g-1,131.3 F g-1和115.4 F g-1。相比于Ti3C2Tx,三种N-Ti3C2Tx的电容均有所增加并且来源机制不同:在水热法制备得到的N-Ti3C2Tx纳米片中,氮原子主要以官能团取代形式存在,双电层电容和赝电容两种机制均贡献电容;在低温等离子体处理制备得到的N-Ti3C2Tx纳米片中,氮原子主要以表面吸附形式存在,主要是赝电容机制贡献电容;在原位刻蚀得到的Ti3CNTx纳米片中,氮原子以晶格取代形式存在,主要通过双电层电容机制贡献电容。本研究揭示氮掺杂机理并厘清氮掺杂对超级电容器电化学性能的贡献机制,为后续MXene的化学改性研究提供了理论指导。
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