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Vertical Arrangement of Ti2CTx MXene Nanosheets on Carbon Fibers for High-Performance and Flexible Zn-Ion Supercapacitors
ACS Applied Nano Materials ( IF 5.3 ) Pub Date : 2022-12-19 , DOI: 10.1021/acsanm.2c04422 Bao Shi 1, 2, 3 , Lu Chen 2 , Tien-Chien Jen 3 , Xinying Liu 4 , La Li 1 , Aibing Chen 2 , Guozhen Shen 1
ACS Applied Nano Materials ( IF 5.3 ) Pub Date : 2022-12-19 , DOI: 10.1021/acsanm.2c04422 Bao Shi 1, 2, 3 , Lu Chen 2 , Tien-Chien Jen 3 , Xinying Liu 4 , La Li 1 , Aibing Chen 2 , Guozhen Shen 1
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Freestanding and flexible MXene electrodes have exhibited great potential in wearable energy device design through over 10 years of rapid development but are yet limited by the restacking of nanosheets and the complex and lengthy ion transport paths that reduce their performance at high charge–discharge rates. Herein, we provide a molten salt method assisted by a selective etching process for the directional vertical growth of Ti2CTx MXene nanosheets on carbon fiber (CF) substrates, showing several advantages: (1) bifunctional CF, which acts as both a self-supported freestanding flexible substrate and carbon source during the synthesis of the Ti2AlC MAX phase, (2) eliminating the need for collecting the powder Ti2CTx MXene from the acid mixture after the selective etching process and filtration steps to obtain freestanding and flexible MXene films, and (3) the directional vertical arrangement of Ti2CTx shortens the ion diffusion path and the integrated structure of nanosheets and carbon fibers speeds up ion transport. As a result, the fabricated Ti2CTx MXene@CF//Zn@Cu@CF hybrid Zn-ion supercapacitor delivers a high areal capacitance of 380 mF/cm2, an energy density of 52.77 μWh/cm2 at 5 mV/s, excellent stability with 90.06% capacity retention after 10 000 cycles, and 89.76% capacity retention after storing in air for 30 days. The directional vertical Ti2CTx MXene nanosheets can be extended to other application areas, such as sensors, catalysts, detectors, electromagnetic shielding, etc.
中文翻译：
用于高性能和柔性锌离子超级电容器的碳纤维上 Ti2CTx MXene 纳米片的垂直排列
经过 10 多年的快速发展，独立式和柔性 MXene 电极在可穿戴能源设备设计中展现出巨大潜力，但仍受到纳米片重新堆叠和复杂而冗长的离子传输路径的限制，这些路径会降低其在高充放电率下的性能。在此，我们提供了一种通过选择性蚀刻工艺辅助的熔盐方法，用于在碳纤维 (CF) 基板上定向垂直生长 Ti 2 CT x MXene 纳米片，显示出几个优点：(1) 双功能 CF，它既作为自-在 Ti 2 AlC MAX 相的合成过程中支撑独立的柔性基板和碳源，(2) 无需收集粉末 Ti 2 CT x从酸性混合物中提取 MXene，经过选择性蚀刻工艺和过滤步骤，获得独立且柔性的 MXene 薄膜，以及（3）Ti 2 CT x的定向垂直排列缩短了离子扩散路径，纳米片和碳纤维的集成结构加速离子传输。因此，制造的 Ti 2 CT x MXene@CF//Zn@Cu@CF 混合锌离子超级电容器可提供 380 mF/cm 2的高面电容，在 5 mV/ 时的能量密度为 52.77 μWh/cm 2 s，优异的稳定性，10 000次循环后容量保持率为90.06%，空气中存放30天后容量保持率为89.76%。定向立式Ti 2 CTx MXene 纳米片可以扩展到其他应用领域，例如传感器、催化剂、探测器、电磁屏蔽等。
更新日期：2022-12-19
中文翻译：
用于高性能和柔性锌离子超级电容器的碳纤维上 Ti2CTx MXene 纳米片的垂直排列
经过 10 多年的快速发展，独立式和柔性 MXene 电极在可穿戴能源设备设计中展现出巨大潜力，但仍受到纳米片重新堆叠和复杂而冗长的离子传输路径的限制，这些路径会降低其在高充放电率下的性能。在此，我们提供了一种通过选择性蚀刻工艺辅助的熔盐方法，用于在碳纤维 (CF) 基板上定向垂直生长 Ti 2 CT x MXene 纳米片，显示出几个优点：(1) 双功能 CF，它既作为自-在 Ti 2 AlC MAX 相的合成过程中支撑独立的柔性基板和碳源，(2) 无需收集粉末 Ti 2 CT x从酸性混合物中提取 MXene，经过选择性蚀刻工艺和过滤步骤，获得独立且柔性的 MXene 薄膜，以及（3）Ti 2 CT x的定向垂直排列缩短了离子扩散路径，纳米片和碳纤维的集成结构加速离子传输。因此，制造的 Ti 2 CT x MXene@CF//Zn@Cu@CF 混合锌离子超级电容器可提供 380 mF/cm 2的高面电容，在 5 mV/ 时的能量密度为 52.77 μWh/cm 2 s，优异的稳定性，10 000次循环后容量保持率为90.06%，空气中存放30天后容量保持率为89.76%。定向立式Ti 2 CTx MXene 纳米片可以扩展到其他应用领域，例如传感器、催化剂、探测器、电磁屏蔽等。
京公网安备 11010802027423号