双电层电容器(EDLC)的工作原理是离子的物理吸附，从而在电极/电解质界面形成双电层，提供有限的能量密度。插层赝电容基于表面法拉第储能机制，可实现快速、可逆的氧化还原反应，其中涉及插层离子的插层、传输和吸附，以及固液界面上的电荷转移。因此，插层赝电容器适用于高能量密度和高功率密度的储能需求。与Ti₃C₂T_xMXene相比，钼基双金属MXene的电荷存储电容仍然较低，通过电子结构优化来提高双金属Mo₂TiC₂T_xMXene的电化学性能是非常有潜力的。迄今为止，多金属MXene在储能方面的潜力在很大程度上仍未得到开发。

在本研究中，通过调控Nb原子含量来优化Mo₂TiC₂T_xMXene的电荷存储性能。研究结果表明，调整Nb原子的摩尔比对表面-O端基的电子云密度及Mo原子的自旋极化起至关重要的作用，从而显著增强双电层电容(EDLC)和赝电容性能。因此，Nb掺杂的Mo₂TiC₂T_xMXene(Nb-0.3-MXene)在3M H₂SO₄电解液中的电化学性能是原始样的两倍。通过控制MXene中Nb原子的含量，达到调控MXene和层间质子的相互作用，从而使Mo_2-δTiNb_δC₂T_xMXene在体积比容量和倍率性能之间实现了平衡。此外，Nb-0.3-MXene在200 mV·s^-1的扫速下可达82.75%的电容保持率，在10 A·g^-1的大电流密度下展示出高达19000次循环的稳定性。同时，Nb-0.3-MXene//Cu-TBA混合超级电容器在230.7 W·L^-1的功率密度下实现48.1 Wh·L^-1的高体积能量密度。

图1.Nb掺杂MXene的选择性蚀刻合成示意图

图2.(a, b) Nb-MAX与Mo-MAX的XRD(a)和XPS(b)表征；(c-f) Nb-MXene与Mo-MXene的XRD(c)、ICP(d)、Mo 3d XPS(e)和O 1s XPS(f)表征；(g) Mo-MXene与Nb-0.3-MXene的EPR谱图；(h) Nb掺杂MXene表面电子结构的示意图

图3.Nb-0.3-MXene纳米片及其电极膜的结构表征：(a-c)AFM、TEM和HRTEM图像；(d, e) STEM图像和相应的元素图谱；(f)电极膜光学照；(g)SEM图像

图4.(a)不同MXene基电极在10 mV·s^-1下的CV曲线；(b)电容随频率的变化曲线；(c, d) Mo-MXene (c)和Nb-MXene(d)双电层结构示意图；(e, f) Nb-0.3-MXene电极的CV曲线(e)和GCD曲线(f)；(g)不同MXene基电极的体积比电容；(h) Nb-0.3-MXene电极的容量保持率

图5.(a)不同MXene基电极的b值；(b) Nb-0.3-MXene电极在不同扫描速率下的扩散电容和控制电容；(c)不同MXene基电极在10 mV·s-1下的体积比电容；(d)不同MXene基电极的EIS图

图6.Nb-0.3-MXene//Cu-TBA超级电容器的电化学性能：(a)在10 mV·s^-1下的CV曲线；(b) CV曲线（从外到内的扫描速率为2-1000 mV·s^-1）；(c)不同电流密度(1-200 A·g^-1)下的GCD曲线；(d)体积能量密度和功率密度与其它文献的比较；(e)在10 A·g^-1下的循环稳定性

田亚朋，博士，郑州大学直聘研究员，硕士生导师。2015年本科毕业于长安大学无机非属材料工程（能源及电子材料）专业，2020年博士毕业西安交通大学电子科学与技术专业。以第一作者/通讯作者已在Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J.,J. Colloid Interface Sci. J. Power Sources, Electrochim. Acta等国际知名期刊发表SCI论文10余篇。目前从事的研究方向二维MXenes材料的结构设计与应用研究、超临界CO2技术制备功能材料和兼具高能量密度和高功率密度的超级电容器和新型二次电池的储能机理研究。

邮箱：yptian@zzu.edu.cn。

Zhao J, Yan W, Liu Z, et al. Optimizing electronic structure of Mo₂TiC₂T_x MXene through Nb doping for enhanced electrochemical performance. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6704-4.