中大新闻网讯（通讯员衣芳）超级电容器由于具有充放电速率快、循环稳定性高、功率密度高等优点，是目前最常见电化学储能器件之一。Ti3C2Tx MXene由于拥有金属级的导电性、丰富的表面官能团、大的比表面、良好亲水性等特点而成为目前极具潜力的一种超级电容器电极材料。然而，MXene二维片层团聚，表面活性官能团有限，容易被氧化等问题成为制约当前Ti3C2Tx基超级电容器发展的主要挑战。
中山大学材料科学与工程学院衣芳教授课题组围绕解决这三个问题和获得高性能Ti3C2Tx MXene基超级电容器电极材料、器件及应用开展了系列研究。在课题组前期工作所开发的一种节能集成策略制备得到同时具有高电容，高倍率以及高循环稳定性的Ti3C2Tx MXene超级电容器电极（ACS Nano, 2022, 16, 9713−9727）的基础上，进一步根据Ti3C2Tx电极材料特性，首次利用氧化还原电位在Ti3C2Tx的稳定电势窗口内引入氧化还原添加剂来提高Ti3C2Tx基超级电容器电极及器件的电化学性能。
图1. 氧化还原电解质策略设计及其电极工程优化辅助
图2. 氧化还原添加剂和Ti3C2Tx MXene相互作用机理
优化的MXene/CPAQ电极在所设计的氧化还原电解质中，在2 mV s-1的扫描速率下测得788.4 F g-1的比电容，该电容值高于目前文献报道纯MXene和MXene/碳的超级电容器电极的电容，同时电极还具有良好的倍率性能和远高于纯MXene电极的循环稳定性。筛选发现CrCl2、CoSO4、CuCl2、VCl3和SnSO4不适合作为MXene/CPAQ电极的氧化还原添加剂，而CuSO4和VOSO4可以作为MXene/CPAQ电极的有效的氧化还原添加剂。CuSO4/VOSO4的复合电解质添加剂具有协同效应，对MXene/CPAQ电极电容的提升效果相比单一氧化还原添加剂有更好的综合电化学性能，并且随着氧化还原添加剂浓度的增加，MXene/CPAQ电极的电容增加（扫描速率≤200 mV s-1）。系统的实验和理论模拟分析结果表明铜离子和钒离子能与MXene表面的活性=O结合，分别主要以Cu2+/Cu+和V3+/V2+的形式进行氧化还原反应。利用节能集成策略优化后的MXene/CPAQ电极能够增加具有氧化还原活性的=O官能团、增大层间距、增大比表面积和提高孔体积等进而大大促进氧化还原电解质对电极电化学性能的提升。通过应用该策略，所制备的超级电容器在376.0 W kg−1的功率密度下获得了高达80.9 Wh kg−1的能量密度，并且显著改善了器件的自放电行为。此外，所设计的氧化还原添加剂在不同凝胶电解质（PVA/H2SO4、gelatin/H2SO4和PAM/H2SO4）中对MXene/CPAQ电极的电容也都有所提升，并且在PVA氧化还原凝胶电解质中具有较好的倍率性能。随着在氧化还原凝胶电解质中聚合物质量含量的增加，MXene/CPAQ电极电容呈现减小的趋势，其中PAM减小的趋势更加明显，可能主要与其具有更大的粘度有关。使用氧化还原凝胶电解质也可以明显抑制柔性超级电容器的自放电行为。
相关成果以“Designed Redox-Electrolyte Strategy Boosted with Electrode Engineering for High-Performance Ti3C2Tx MXene-Based Supercapacitors”为题发表于期刊Advanced Energy Materials，第一作者为材料科学与工程学院博士生马睿，通讯作者为衣芳教授；中山大学材料科学与工程学院为论文第一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金大力支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202301219
