原位冰模板法构筑超级电容器高性能三维MXene基膜电极
北京化工大学徐斌教授团队提出一种以冷冻干燥技术代替传统MXene膜电极制备过程中普遍采用的真空干燥法，简便高效构筑三维多孔MXene膜电极的新策略。和目前已报道的多孔MXene膜电极相比，利用冷冻干燥制备多孔MXene膜电极的方法更为简便，无需任何后处理过程，避免了MXene在后处理过程中被氧化的风险。此外，通过引入层间碳纳米管，利用冷冻干燥法制得了三维结构更加发达的MXene/CNTs膜电极，实现了MXene基膜电极电化学性能的大幅度提升。该研究成果以“In situ ice template approach to fabricate 3D flexible MXene film-based electrode for high performance supercapacitors”为题发表在Advanced Functional Materials（DOI:10.1002/adfm.202000922）上。
采用传统的真空干燥法的MXene膜中，MXene纳米片致密堆叠使得活性表面位点大幅减少。通过冷冻干燥得到的三维MXene膜，冰模板脱除后留下三维多孔结构，CNTs的引入在MXene层间引入更多的水分子和冰模板，使得构筑的三维结构更加发达。柔性三维多孔结构不仅使MXene膜内部的表面活性位点得以充分暴露从而提高了活性位点的利用率，而且非常有利于离子的扩散和电子的传输，因而表现出优异的电化学性能。将三维柔性MXene/CNTs膜直接用作超级电容器的电极，在5 mV s-1的扫速下比电容达375.0 F g-1，在 10,000 mV s-1的超高扫速下，仍能保持92 F g-1的比电容，表现出了优异的倍率性能。将三维柔性MXene/CNTs膜电极进一步组装成对称超级电容器器件，以电极材料计，其在498.6 W kg-1的功率密度下表现出23.9 Wh kg-1的比能量。这一研究表明通过冷冻干燥，利用原位冰模板法构筑三维结构可以显著提高MXene膜电极的电化学性能，为三维柔性MXene基膜电极的构筑提供了新思路。