3月21日，Nano Research Energy創刊主編，香港城市大學支春義教授團隊發表了一項新研究，報道了用MXene化合物制成的電容器，使用這種材料的電容器展示出優異的性能。
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超級電容器因其具有大功率密度和長使用壽命（額定容量情況下的充放電次數) ，眼下成為理想的锂電池替代品。超級電容器就好比是電池（高能量儲存）和正常電容器（高放電功率）的雜交産物。超級電容器可以在很小的空間裡儲存大量能量，并以高電流的形式釋放出來。其中一個熱門應用場景是，它們可以為可穿戴電子裝置等微型裝置供電。然而，當超級電容器用有機分子做導電漿料時，超級電容器卻有起火的風險。
MXene是一種二維無機化合物，其大分子表面積的儲能特性，使其同時具有超高的電導率和儲能能力。香港城市大學支春義教授團隊的新研究，則嘗試用無機MXene分子制造超級電容器，降低火災風險，并用鉀代替昂貴的锂，降低了制造成本。鉀離子是促使電流流入電池過程中最常用的電解液之一。
論文作者梁國進表示：“我們利用安全的水基電解質研究水基超級電容器，并将研究重點放在鉀離子存儲器上，其價格低廉，儲量也更加豐富，有利于提高安全性，并在推廣應用中降低成本。”
MXenes化合物由幾個原子厚的過渡金屬層組成，包括金屬碳化物、氮化物或碳氮化物等。其電性能具有使高效電子傳輸穿過導電金屬碳化物層的特性，還有一層用于氧化還原（電子轉移）反應的金屬表面。
三種典型的MXene電極：Nb2C、Ti2C和Ti3C2為此次的研究對象，目标在于探索其在水鉀離子存儲中的電化學行為，它們具有赝電容為主的電化學行為、快速動力學過程和持久的循環穩定性 | 參考文獻[2]
根據選擇的Mxene種類不同，該研究針對Mxene三個方面的性能作了比較。共同作者李新亮解釋道：“通過對三種具有代表性的MXene鉀離子儲存性能開展橫向比較，我們希望弄清處其内部結構和鉀離子儲存性能之間的關系。”
研究團隊的研究内容包括三種MXene電極和電導體——Nb2C、Ti2C和Ti3C2的電化學行為，包括鉀離子如何插入MXene層，以及離子如何附着在金屬表面。
研究人員對超級電容器的存儲機制、容量、速率性能和循環性能進行了評估。采用Nb2C MXene的鉀離子電容器性能最好，其最高功率密度（放電量）為2336 W/kg，最高能量密度（儲存量）為24.6 Wh/kg。锂電池具有比電容器更高的能量密度，但其功率密度僅為250-340 W/kg。是以，帶有MXene 的鉀離子電容器可以更快地放電。使用 Nb2C MXene 的電容器在3萬次5安培/克的放電循環後幾乎保持了最大容量（94.6%）；相比之下，锂電池的循環次數預計隻有500次左右。
實驗結果證明，所有的MXene材料都表現出超級電容器特性，無論是快速動力學行為的方面，還是在持久的鉀離子儲存性能方面——總之比其他鉀離子主體材料表現出更好的性能。這些結果來源于MXene在捕獲和釋放鉀離子時的穩定結構。梁國進解釋道：“這可能是因為鉀離子傳輸的層間距離本身就很大，以及MXene具有極好的構造穩定性，即便是經曆了長期的鉀化/脫鉀過程，依舊能保持穩定。”
盡管目前隻研究了三種MXene電極，但其它MXene化合物作為水溶性鉀離子電極的潛力也很大。研究人員希望他們的發現将“進一步引起人們關注其他有廣泛前景的耐用型鉀離子存儲MXene電極。”
研究人員計劃繼續深入開展MXene電極實驗研究，以提高實際應用的性能。“關于鉀離子電容器，我們希望修改和操縱MXene電極種類，以獲得更高的能量密度。”支春義教授補充道。性能優良、安全性更高、成本更低，基于這些優點，研究團隊希望研究MXene電極能助力改進可穿戴電子裝置和其他迷你電源裝置的鉀離子電容器。
參考文獻
[1] https://www.eurekalert.org/news-releases/949764
[2] https://www.sciopen.com/article/10.26599/NRE.2022.9120002?issn=2791-0091
編譯：綠洲
編輯：酥魚
排版：尹甯流
題圖來源：Pixabay
研究團隊
通訊作者Zhi Chunyi（支春義，教授）：香港城市大學材料科學與工程系，香港城市大學功能光子研究中心
課題組首頁
https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/chunyi-zhi(0c84bc59-0cf9-462f-8fb9-01c3c8dc6e3b).html
（共同）第一作者Liang Guojin（梁國進，博士）：香港城市大學材料科學與工程系
（共同）第一作者Li Xinliang（李新亮，博士）：香港城市大學材料科學與工程系
論文資訊
釋出期刊Nano Research Energy
作為Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy（ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119；官網: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119?issn=2790-8119）創刊于2022年3月，由清華大學主辦，清華大學曲良體教授和香港城市大學支春義教授共同擔任主編。Nano Research Energy是一本國際化的多學科交叉，全英文開放擷取期刊，聚焦納米材料和納米科學技術在新型能源相關領域的前沿研究與應用，對标國際頂級能源期刊，緻力于發表高水準的原創性研究和綜述類論文。
釋出時間2022年03月21日
論文标題Building durable aqueous K-ion capacitors based on MXene family
（https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120002）
文章領域電化學電容 超級電容
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