《Nature》子刊：表面“跑步”的电子也能储电？研究揭开MXene超电容充电新机制

摘要

(相关资料图)

酸性电解质中Ti3C2Tx MXenes中的伪电容电荷存储通常被描述为质子插入/去插入伴随着Ti中心的氧化还原转换和氧官能团的质子化/去质子化。在这里，我们以一种独特的实验结构进行纳米电化学测量，将电化学接触面积限制在单层Ti3C2Tx片的一个小区域（µm2）。在这种独特的结构中，质子插入到层间空间是不可能的，而表面过程与本体过程是隔离的，这是宏观电极的特征。对不同大小的MXene薄片的伪电容响应分析表明，整个MXene薄片仅通过一个小的基底平面亚区域的电化学接触而带电，仅相当于薄片表面积的3%。我们在电化学接触区域外观察到的伪电容电荷暗示了质子在MXene表面的快速传输机制。

创新点

1. 利用扫描电化学显微技术,实现了与MXene单层薄片局部区域的精确接触,隔离了薄片的表面电容过程,避免了三维电极的复杂影响。

2. 首次在实验上证明了MXene整个薄片都参与了伪电容充电,这一发现挑战了传统认为MXene伪电容仅局限于电解质接触区域的看法。

3. 提出了MXene薄片表面质子迁移的机制,可以更全面地解释其伪电容性能,为设计高性能MXene基储能器件提供了新的思路。

4. 定量比较了单层MXene的基面、边缘以及不同尺寸薄片的电容性能,系统揭示了薄片几何形态对电化学RESPONSE的影响。

5. 利用理论计算结果验证了实验测量所得的单层MXene的性能参数,展示了计算理论指导实验的应用实例。

6. 采用创新的实验技术和理论计算相结合的研究策略,为深入理解新型二维材料的储能机制奠定了基础。

总之,这项研究从根本上拓展了对MXene电化学性质的认识,其创新之处在于采用独特的实验技术实现了对薄片表面过程的隔离研究,并与理论计算结果进行了验证。这为优化MXene在储能领域的应用提供了科学依据。

图文参考

总结

这篇文章研究了二维钛碳材料(Ti3C2Tx MXene)的伪电容性能。主要结论:

1. 研究人员使用扫描电化学显微技术(SECCM),仅与MXene单层薄片的一小部分(约3%)接触,就能测量到整个薄片的伪电容响应。这表明MXene的伪电容响应并不局限于接触区域,可能通过薄片表面快速传输质子的机制实现。