《AEM》马里兰大学：金属离子诱导 MXene 气凝胶组装，用于电磁干扰屏蔽、电容去离子和微型超级电容器

非金非土非木

关注 2021年7月23日 09:50

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【摘要】

将 MXene 纳米片的协同特性扩展到微孔气凝胶结构需要有效的策略来克服纳米片重新堆叠而不影响 MXene 的优势特性。3D MXene 气凝胶的传统组装方法通常涉及外部粘合剂/模板和/或额外的功能化，这会牺牲 MXene 气凝胶的导电性和电化学活性。

最近 ， 马里兰大学 Po-Yen Chen 教授 团队 受 Phrynosoma cornutum 分层纹理的启发，设计了 皱褶纹理的 Ti ₃ C ₂ T _x MXene 平台以促进 Mg ²⁺ 诱导的组装，从而能够在没有聚合物粘合剂的情况下保形形成大面积 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶 。通过刮刀技术和冷冻干燥，Mg ²⁺ -MXene 气凝胶具有定制的形状/尺寸，具有高表面积 (140.5 m2 g ^-1 )、优异的导电性 (758.4 S m ^-1 ) 和在水中的高稳定性.高导电性 MXene 气凝胶展示了其从宏观技术（例如，电磁干扰屏蔽和电容去离子（CDI））到片上电子（例如，准固态微型超级电容器（QMSC））的多种应用。作为 CDI 电极， Mg ²⁺ -MXene 气凝胶表现出高盐吸附能力（33.3 mg g ^-1 ）和长期运行可靠性（超过 30 次循环） ，与文献进行了极好的比较。此外，与其他最先进的 QMSCs 相比，具有交叉 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶电极的 QMSCs 表现出高面积电容 (409.3 mF cm ^-2 )，具有优异的功率密度和能量密度。 相关论文以题为 Metal Ion-Induced Assembly of MXene Aerogels via Biomimetic Microtextures for Electromagnetic Interference Shielding, Capacitive Deionization, and Microsupercapacitors 发表在《 A dvanced Energy Materials 》上。

【主图导读】

图1 受 Phrynosomacornutum 启发的 MXene 微纹理具有高水传输速度和卓越的储水能力。

图2 用于可扩展制造无粘合剂 MXene 气凝胶的仿生 MXene 组装平台。 a) 通过仿生 MXene 组装平台和Mg ²⁺ 诱导的凝胶化可扩展制造 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶的示意图。b)沉积在 CT-MXene 涂层上的厚而均匀的 Mg2+-MXene 水凝胶的数码照片。c)比较使用刨刀和 CT-MXene 涂层获得的 Mg ²⁺ -MXene 水凝胶。d) Mg ²⁺ -MXene 气凝胶的 SEM 图像以及 Ti 和 Mg 元素的 EDX 映射。e) Mg ²⁺ -MXene 气凝胶的 SEM 图像。f）原始MXene薄膜、Mg ²⁺ -MXene气凝胶和酸洗MXene气凝胶的XRD图谱。g) 原始 MXene 薄膜、Mg ²⁺ -MXene 气凝胶和酸洗 MXene 气凝胶的 Mg 2p 光谱。h) 原始 MXene 薄膜、Mg ²⁺ -MXene 气凝胶和酸洗 MXene 气凝胶的 O 1s 光谱。i) 原始 MXene 薄膜、原始 MXene 气凝胶、Mg ²⁺ -MXene 气凝胶和酸洗 MXene 气凝胶的 BET 等温线。

图3 具有多功能性的大面积 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶的可扩展制造。 a）大面积Mg ²⁺ -MXene气凝胶可扩展制造的数码照片。b) EMI 屏蔽机制的示意图。c) 原始 MXene 薄膜、原始 MXene 气凝胶和 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶的 EMI 屏蔽性能。d) CDI 过程的示意图。原始 MXene 薄膜和 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶的 CDI 性能在 1000 mg mL ^-1 NaCl 溶液中根据 e) NaCl 溶液的电导率变化和 f) 电极的相应电流变化进行测量。g) 大面积 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶和原始 MXene 膜在 1.4 V 的 NaCl 溶液中 1000 mg L ^-1 的 SAC 变化。h) 大面积 Mg2+-MXene 气凝胶和原始 MXene 膜在 1000 mg L ^-1 NaCl 溶液中施加不同电压的 SAC。i) Mg ²⁺ -MXene 气凝胶在 1000 mg L ^-1 的 NaCl 溶液中，电压为 1.4 V，循环 30 次后的容量保持率。j) 已报道的 CDI 电极与 该 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶之间的体积吸附容量和重量吸附容量的比较。

图4 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶 QMSCs 的制备和电化学表征。 a) Mg ²⁺ -MXene 气凝胶 QMSCs 的制备包括四个步骤：i) CT-MXene/PS 器件的制备，ii) 金属离子诱导组装用于 MXene 凝胶化，iii) 冷冻干燥过程，以及 iv) Mg ²⁺ -MXene 的制备 气凝胶 QMSC。嵌入的 SEM 图像显示了 CT-MXene QMSC 和 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶 QMSC 中的叉指电极。

【总结】

该团队展示了一种通用且可扩展的途径， 通过在仿生 CT-MXene 平台上进行金属离子诱导组装，实现 3D MXene 气凝胶的可扩展制造。仿生 CT-MXene 平台旨在促进金属离子的分布，从而实现大面积厚 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶的保形生长。 与聚合物粘合剂相比，金属离子（例如，Mg ²⁺ ）能够与 MXene 纳米片的–OH 基团形成强络合，并作为有效的纳米柱来减少纳米片的重新堆叠。此外，Mg ²⁺ 的嵌入在很大程度上保留了 MXene 纳米片的导电性能，并进一步提高了所得 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶在水 中的结构稳健性。 Mg ²⁺ -MXene 气凝胶的高潜力已在多个长度尺度的各种应用中得到证明。在宏观尺度上，Mg ²⁺ -MXene 气凝胶作为微咸水中 CDI 的电极表现出出色的 EMI 屏蔽性能和优异的盐吸附性能。当用作 QMSC 中的微图案电极时，Mg ²⁺ -MXene 气凝胶实现了极好的面电容和长期稳定性，这是由于高电子转移率和快速离子向 3D 多孔结构中的氧化还原活性位点传输。

参考文献 ：

doi.org/10.1002/aenm.202101494

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