【摘 要】
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作为新兴发展的储能装置,超级电容具备一系列独特优势,能满足新能源产业的一些应用对能量储存的发展需求。MnO_2由于无毒无害和储量丰富成本低等优点,是应用最广泛的赝电容电极材料之一。MnO_2的低电导率严重影响了其在储能方面的应用,因此近年来越来越多的研究将其与高导电基底复合从而提升电化学性能。然而,以往研究中表现出优异性能的MnO_2复合电极往往是MnO_2质量负载较低的超薄电极,达不到实际应用的
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作为新兴发展的储能装置,超级电容具备一系列独特优势,能满足新能源产业的一些应用对能量储存的发展需求。MnO2由于无毒无害和储量丰富成本低等优点,是应用最广泛的赝电容电极材料之一。MnO2的低电导率严重影响了其在储能方面的应用,因此近年来越来越多的研究将其与高导电基底复合从而提升电化学性能。然而,以往研究中表现出优异性能的MnO2复合电极往往是MnO2质量负载较低的超薄电极,达不到实际应用的要求。因此,如何提升MnO2负载量并保证超级电容的电化学性能以适应实际需求成为亟待解决的问题。作为新型二维纳米材料,过渡金属碳氮化物(MXene)具有高电导率和亲水性等特性。实验证明,MXene可扩展为适合负载活性物质的三维结构,且与过渡金属氧化物结合可提升储能能力。因此,MXene有望与MnO2复合,在实现MnO2高质量负载的同时保持高电化学性能。本文成功制备了高质量负载的MnO2/MXene复合电极材料,并将其组装为超级电容开展研究。通过水热法制备了三维多孔结构的MXene气凝胶基底,同时制备氧化还原石墨烯(rGO)气凝胶进行对比实验,随后利用电化学沉积法在气凝胶骨架表面生长出密集网状结构的MnO2。MXene的强亲水性使MnO2在气凝胶内外部均匀沉积,同时,MXene表面的大量官能团提供活性位点供MnO2附着生长。MXene通过共价键与MnO2紧密连接,加速了电子传输,说明MXene气凝胶适合作为负载MnO2的基底材料。与MnO2/rGO相比,MnO2/MXene的质量比容是其两倍以上,最高可达448F/g。MnO2/MXene拥有更小的内阻和接触电阻,其电子传导能力和离子转移速度均优于MnO2/rGO。MnO2/MXene的电荷存储过程主要由快速的电容过程主导,因此MnO2/MXene表现出更好的倍率性能和循环稳定性。对MnO2/MXene而言,MnO2的最佳负载量为1.76 mg/cm2,当MnO2负载量升至10.04 mg/cm2时电极仍能保持204 F/g的质量比容及2.06 F/cm2的面积比容,证明了高质量负载时MnO2/MXene仍保持良好的电化学性能。MnO2/MXene与MXene组装得到的非对称超级电容展现出2 V的宽电压窗口,其能量密度最高可达50 Wh/kg。
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