层间原子可设计的二维MXenes电极材料构筑及其储能机制研究

The structure and function design of 2D materials gradually become hot area in energy and environment, optimization of electrode materials microstructure and stability are key issues for supercapacitor performance breakthrough. A new 2D-MXenes electrode material for supercapacitor will be constructed in this project. The galactic breakthrough to supercapacitor performance will be achieved by deep study of the conductivity, interlayer structure and interface structure. Based on the requirements of electrode materials microstructure and properties, we will creatively regulate the conductivity of 2D-MXenes via microstructure design of MAX precursor, and innovatively adopt metallurgical method in nanostructure electrode material construction process to achieve metallurgical bonding interface between MXenes and current collector materials. The influence factors of conductivity, interlayer structure and interface structure will be focused in this project, its mechanism and control method will be illuminated. The internal relations among the preparation process, microstructure and supercapacitor properties will be revealed. The project will not only develop a new 2D-MXenes electrode materials, but also open up a new strategy for electrode materials construction in energy storage applications.

新型二维材料的结构与功能设计日益成为能源和环境领域的前沿热点，电极材料的储能结构和稳定性优化是实现超级电容器性能突破的关键科学问题。本项目拟利用二维MXenes材料构筑一体化新型电极材料，通过对MXenes导电性、层间结构及其与集流体材料的界面进行设计和调控，最终实现超级电容器性能的突破。本项目依据电极材料的性能特点和结构需求，创新性地通过设计MAX前驱体材料结构实现MXenes导电性的调控，突破性地在纳米结构电极材料构建中引入高温冶金过程实现MXenes与集流体材料的界面冶金结合。本项目将着重研究二维MXenes/集流体电极材料导电性、层间结构及界面结合特性的影响因素、作用机理和调控手段，阐明二维MXenes/集流体电极材料制备工艺、微观结构与电极材料及超级电容器器件性能的内在关系。本项目的开展不仅开发一种高性能新型二维MXenes电极材料，也将为其它储能技术电极材料的构建开辟新思路。

电极材料的储能结构和稳定性优化是实现超级电容器性能突破的关键，本项目设计制备了一种新型层级阵列结构的MXene/Cu一体化电极材料，通过对MXene层级阵列结构的设计和调控最终实现了超级电容器性能的突破。首先研究了MXene材料的制备及A位固溶元素对其刻蚀过程的影响，进一步研究了离子插层对MXene层间结构的调控作用；设计了层级阵列结构的MXene/Cu一体化电极材料，深入研究了制备温度对MXene/Cu一体化电极材料微观结构以及制备温度对MXene晶型转变的影响规律；系统研究了层级阵列结构MXene/Cu- PVA/H3PO4固态超级电容器的储能特性、循环稳定性及储能机制；基于层级阵列结构MXene超级电容器，开展了MXene的电容去离子特性研究。此外，基于MXene材料的表面修饰结果，开展了二维薄膜材料及其功能特性的相关研究。研究发现，MXene经离子插层可以有效增大其层间距，经K+离子插层后MXene的层间距由10.10增大至12.37 Å；A位固溶Sn原子后的Ti3AlC2的耐腐蚀性明显增强，无法通过化学刻蚀的方法获得MXene。随着制备温度的升高MXene/Cu一体化电极材料中的MXene层结合强度也显著提升，但是当温度超过800℃时MXene的晶体结构逐渐由二维结构转变为立方相结构。当MXene/Cu一体化电极中MXene阵列高度为10 μm时，在0.5 A/cm3的电流密度下其体积比容量高达452 F/cm3，功率密度为175 mW/cm3时能量密度为9.6 mW h/cm3。在厚度达到50 μm的条件下，仍然具有287 F/cm3的高比容量，这主要是因为层级阵列结构的MXene/Cu一体化电极增大了电解液与活性材料的接触面积，减小了离子传输的距离，从而提高了电极活性材料的利用效率。本项目的研究开发了一种新型层级阵列结构的MXene/Cu一体化电极材料，阐明了该电极材料储能特性提升的内在机理，为其他电极材料的开发提供科学启发。通过本项目的实施，申请发明专利4项（已授权2项），发表SCI检索论文12篇，培养研究生9人（8人已毕业）和博士后1人（在站），完成项目预设的所有目标。