二維 MXene 一直是能源領(lǐng)域的后起之秀，因為它們可以快速儲存能量。但是它們不穩(wěn)定的電壓輸出限制了它們的應(yīng)用。由城市大學 (CityU)科學家領(lǐng)導(dǎo)的合作研究小組最近通過使用高壓掃描策略開發(fā)了具有穩(wěn)定電壓輸出和高能量密度的電池狀電化學 Nb2CTx MXene 電極。這些最新發(fā)現(xiàn)可能會在發(fā)明下一代強大的電池方面取得突破。
該研究由材料科學與工程系(MSE)的支春義教授和助理教授范軍博士共同領(lǐng)導(dǎo)。MSE陳芙蓉講座教授也為這項研究做出了巨大貢獻。該研究結(jié)果已發(fā)表在科學期刊焦耳上，標題為“高壓掃描誘導(dǎo)的水性電解質(zhì)中Nb2CTx MXene 陰極的固有電壓平臺”。
能源界的后起之秀
MXene是二維納米材料的一大家族，近十年來一直是儲能領(lǐng)域二維材料的研究熱點。由于優(yōu)異的電子導(dǎo)電性和大表面積，MXene 具有快速表面氧化還原和高倍率能量存儲的特點。
但是 MXene 儲能的最大挑戰(zhàn)是所有報道的 MXene 電極都缺乏明顯的放電電壓平臺，這意味著它們以快速下降的輸出電壓放電。這一缺點降低了 Mxene 的能量密度和所需高壓區(qū)域的穩(wěn)定能量輸出，導(dǎo)致能量密度有限，通常小于 100 Wh kg-1。
為克服能量輸出不穩(wěn)定的問題，城大領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊成功研發(fā)出電池型Nb2CTx MXene電極。該團隊通過將電壓窗口從 2.0V 調(diào)節(jié)到 2.4V，揭示了 Nb2CTx MXene 電極完全不同的電化學特性。在高達 2.4V 的高壓掃描下，Nb2CTx MXene 電極顯示出典型的電池類型特征，不同于低壓下的特征和其他先前報道的 MXene 系統(tǒng)。
使用高壓掃描策略時顯示出的優(yōu)越性能
他們發(fā)現(xiàn) Nb2CTx/Zn 電池在高壓掃描下可以表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能、持久的循環(huán)性能和高能量密度。更重要的是，他們成功地為 MXene 配備了平坦且穩(wěn)定的 1.55V 放電平臺，以提高其能量密度。還獲得了所有水性 Mxene 電極的創(chuàng)紀錄能量密度為 146.7 Wh kg-1，其中 63% 來自高原區(qū)域。它打破了 MXene 設(shè)備的性能瓶頸。
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