液体环境下MXene电极材料电化学储能机理的原位透射电镜研究

Due to the large interlayer spacing, high specific surface area, excellent electrical conductivity and tunable surface terminations, 2D transition metal carbides and nitrides (MXene) have important potential applications in electrochemical energy storage. As electrode material in large-sized metal-ion hybrid supercapacitors, MXene has shown excellent energy storage performance. However, the electrochemical energy storage process and micro mechanism of MXene electrode materials in supercapacitor have not been fully understood. In this project, we intend to design a liquid environment in transmission electron microscope to in situ investigate the electrochemical process of MXene electrode materials. This design proposes a micro liquid cell containing both the electrode material and electrolyte which mimics the liquid environment of electrode materials during energy storage. Through precise characterizations using Cs-corrected transmission electron microscope, the dynamic changes of morphology, crystal structure, chemical composition and chemical valence of MXene can be understood. We will systematically investigate the effects of morphology, crystal structure and defects of MXene on the energy storage process. The micro mechanism of MXene electrode materials during electrochemical energy storage can be clarified through in situ electrochemical study. This study may pave the way for the improved performance and application of MXene electrode materials in metal-ion hybrid supercapacitors.

过渡金属碳化物或氮化物(MXene)二维材料具有较大层间距、高比表面积、高电导率、可控表面基团等特性，在电化学储能中有重要的应用前景。特别是作为大尺寸金属离子混合超级电容器的电极材料，展现出优异的存储性能。但是其电化学存储过程中的动态过程与微观机理却尚未完全清楚。本项目拟采用一种在液体环境下原位透射电子显微研究MXene电极材料电化学过程的设计。通过制备包裹有电极材料与电解液的微液体腔，模拟储能过程中的实际液体环境。通过球差矫正电镜在原子尺度上原位观测MXene在电荷存储过程中形貌与晶体结构的动态演化过程，并研究其成分与价态的动态变化。系统地原位研究MXene的形貌、晶体结构、缺陷、表面基团、金属离子的电荷与尺寸等对储能过程的影响。从微观角度理解电荷存储过程，准确阐明超级电容器在电荷存储中的微观作用机理，为MXene作为金属离子混合超级电容器电极材料的实际应用打好基础。

过渡金属碳化物或氮化物（MXene）二维材料具有层间距大、比表面积高、电导率好、官能团丰富等特点，是电化学储能器件的理想电极材料，在超级电容器中展现出优异的存储性能。然而，MXene电极材料在电化学存储过程中的动态过程与微观机理不够清晰，影响了其在储能器件中的实际应用。本项目将液体环境引入到具有高真空和高空间分辨率的透射电子显微镜（TEM）中，制备了石墨烯包裹MXene电极材料和电解液的液体微腔，研究了MXene电极材料的微观存储机理，为MXene电极材料的优化设计提供直观指导，最终提高了MXene电极材料的电荷存储性能。本项目制备的MXene负极材料具有优异的存储性能，具体表现为：电流密度为1A/g时的比容量高达652.3F/g，是原始MXene比容量的3倍，在电流密度为50A/g时的倍率性能为81%；循环10000圈之后，电极材料的比容量保持率约为99%。该MXene电极材料的存储性能超过了绝大多数已报道MXene基负极材料的存储性能，也优于常用的碳基负极材料，具有较好的科学意义和实际应用价值。