3月21日，Nano Research Energy创刊主编，香港城市大学支春义教授团队发表了一项新研究，报道了用MXene化合物制成的电容器，使用这种材料的电容器展示出优异的性能。
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超级电容器因其具有大功率密度和长使用寿命（额定容量情况下的充放电次数) ，眼下成为理想的锂电池替代品。超级电容器就好比是电池（高能量储存）和常规电容器（高放电功率）的杂交产物。超级电容器可以在很小的空间里储存大量能量，并以高电流的形式释放出来。其中一个热门应用场景是，它们可以为可穿戴电子设备等微型装置供电。然而，当超级电容器用有机分子做导电浆料时，超级电容器却有起火的风险。
MXene是一种二维无机化合物，其大分子表面积的储能特性，使其同时具有超高的电导率和储能能力。香港城市大学支春义教授团队的新研究，则尝试用无机MXene分子制造超级电容器，降低火灾风险，并用钾代替昂贵的锂，降低了制造成本。钾离子是促使电流流入电池过程中最常用的电解液之一。
论文作者梁国进表示：“我们利用安全的水基电解质研究水基超级电容器，并将研究重点放在钾离子存储器上，其价格低廉，储量也更加丰富，有利于提高安全性，并在推广应用中降低成本。”
MXenes化合物由几个原子厚的过渡金属层组成，包括金属碳化物、氮化物或碳氮化物等。其电性能具有使高效电子传输穿过导电金属碳化物层的特性，还有一层用于氧化还原（电子转移）反应的金属表面。
三种典型的MXene电极：Nb2C、Ti2C和Ti3C2为此次的研究对象，目标在于探索其在水钾离子存储中的电化学行为，它们具有赝电容为主的电化学行为、快速动力学过程和持久的循环稳定性 | 参考文献[2]
根据选择的Mxene种类不同，该研究针对Mxene三个方面的性能作了比较。共同作者李新亮解释道：“通过对三种具有代表性的MXene钾离子储存性能开展横向比较，我们希望弄清处其内部结构和钾离子储存性能之间的关系。”
研究团队的研究内容包括三种MXene电极和电导体——Nb2C、Ti2C和Ti3C2的电化学行为，包括钾离子如何插入MXene层，以及离子如何附着在金属表面。
研究人员对超级电容器的存储机制、容量、速率性能和循环性能进行了评估。采用Nb2C MXene的钾离子电容器性能最好，其最高功率密度（放电量）为2336 W/kg，最高能量密度（储存量）为24.6 Wh/kg。锂电池具有比电容器更高的能量密度，但其功率密度仅为250-340 W/kg。因此，带有MXene 的钾离子电容器可以更快地放电。使用 Nb2C MXene 的电容器在3万次5安培/克的放电循环后几乎保持了最大容量（94.6%）；相比之下，锂电池的循环次数预计只有500次左右。
实验结果证明，所有的MXene材料都表现出超级电容器特性，无论是快速动力学行为的方面，还是在持久的钾离子储存性能方面——总之比其他钾离子主体材料表现出更好的性能。这些结果来源于MXene在捕获和释放钾离子时的稳定结构。梁国进解释道：“这可能是因为钾离子传输的层间距离本身就很大，以及MXene具有极好的构造稳定性，即便是经历了长期的钾化/脱钾过程，依旧能保持稳定。”
尽管目前只研究了三种MXene电极，但其它MXene化合物作为水溶性钾离子电极的潜力也很大。研究人员希望他们的发现将“进一步引起人们关注其他有广泛前景的耐用型钾离子存储MXene电极。”
研究人员计划继续深入开展MXene电极实验研究，以提高实际应用的性能。“关于钾离子电容器，我们希望修改和操纵MXene电极种类，以获得更高的能量密度。”支春义教授补充道。性能优良、安全性更高、成本更低，基于这些优点，研究团队希望研究MXene电极能助力改进可穿戴电子设备和其他迷你电源设备的钾离子电容器。
参考文献
[1] https://www.eurekalert.org/news-releases/949764
[2] https://www.sciopen.com/article/10.26599/NRE.2022.9120002?issn=2791-0091
编译：绿洲
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
题图来源：Pixabay
研究团队
通讯作者Zhi Chunyi（支春义，教授）：香港城市大学材料科学与工程系，香港城市大学功能光子研究中心
课题组主页
https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/chunyi-zhi(0c84bc59-0cf9-462f-8fb9-01c3c8dc6e3b).html
（共同）第一作者Liang Guojin（梁国进，博士）：香港城市大学材料科学与工程系
（共同）第一作者Li Xinliang（李新亮，博士）：香港城市大学材料科学与工程系
论文信息
发布期刊Nano Research Energy
作为Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy（ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119；官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119?issn=2790-8119）创刊于2022年3月，由清华大学主办，清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。
发布时间2022年03月21日
论文标题Building durable aqueous K-ion capacitors based on MXene family
（https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120002）
文章领域电化学电容 超级电容
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