今天小编分享的科学经验：中山大学衣芳教授课题组：氧化还原电解质策略设计提升Ti3C2Tx MXene基超级电容器性能，欢迎阅读。
超级电容器作为最常用的电化学储能器件之一，在满足能源存储需求方面发挥着越来越重要的作用。由于其具有快速充放电能力、优越的功率密度和长循环稳定，因此适宜于高速率的电荷存储和传输。与电池相比，超级电容器的能量密度相对较低，严重限制了其广泛应用，这促使我们在保持其优异的功率密度和长循环性能的同时，需要提高其能量密度。
超级电容器的能量密度在电压恒定的情况下取决于电容，因此提高能量密度的一个重要方法是增加电容。电极材料是超级电容器的重要组成部分，对超级电容器的电容等电化学性能有着至关重要的影响。常见的电极材料包括碳基材料、过渡金属氧化物（TMOs）和导电聚合物（CPs）。前人的研究表明，碳基材料的质量密度低，TMOs 的导电性差，CPs 的结构不稳定，阻碍了它们获得优越的电化学性能。
Ti3C2Tx MXene，由于其层状结构、高电导率、丰富的活性基团和表面亲水性等特性，被认为是目前最有前途的超级电容器电极材料之一。尽管有这些优点，Ti3C2Tx 依然面临着二维片层团聚，表面活性官能团有限，容易被氧化等问题。
在 MXene 层间增加填充物，构建多孔电极结构和制备垂直排列的 MXene 结构可以缓解 MXene 的团聚等问题；通过 KOH 碱处理和亲核还原剂（比如正丁基锂）修饰 MXene 的表面官能团，可以去除有害基团（如 -F），增加活性官能团（如 =O）；向 MXene 胶体悬浮液中添加无机聚阴离子盐（例如，聚磷酸盐、聚硼酸盐和聚硅酸盐）可以减缓 MXene 的氧化过程。
除了改进电极外，还可以通过在电解质中添加氧化还原活性添加剂，提供额外的可逆氧化还原反应，从而进一步提高电荷存储能力。在之前的报道中，氧化还原活性电解质主要集中在碳基超级电容器上，其中多孔碳电极具有较大的表面积和丰富的微孔结构，可以增强氧化还原物质的吸附。
目前，关于 MXene 基超级电容器氧化还原活性电解质的研究报道较少。有些报道虽然采用了 KI、LiBr 和 HQ 等氧化还原添加剂，但它们主要针对正极，并没有充分利用 MXene 负极的特性，因此超级电容器器件的能量密度相对较低。其次，对电化学反应机理和氧化还原活性电解质的选取原则尚未详细研究报道。一般来说，由于 Ti3C2Tx MXene 具有相对负的电化学电位視窗，因此更适合作为阳极（负极）。据我们所知，氧化还原电位落在 Ti3C2Tx MXene 狭窄电位范围内的氧化还原添加剂的电荷存储行为尚未得到报道。
氧化还原电解质策略设计及其电极工程优化辅助
中山大学衣芳教授课题组发展了一种电极优化促进的氧化还原电解质策略，用于获得高性能 Ti3C2Tx MXene 基超级电容器。根据 Ti3C2Tx 电极材料特性，首次利用氧化还原电位在 Ti3C2Tx 的稳定电势視窗内引入氧化还原添加剂来提高 Ti3C2Tx 基超级电容器电极及器件的电化学性能。
论文截图
在所开发的策略中，在 H2SO4 支撑电解质中筛选出 CuSO4 和 VOSO4 作为混合氧化还原添加剂，并通过系统的实验表征和理论验证证明，铜和钒离子可以与 MXene 表面的 =O 官能团结合，并分别以 Cu2+/Cu+ 和 V3+/V2+ 的形式进行法拉第反应。通过优化设计得到的 MXene 电极，其氧化还原活性位点的增加、层间距离的增大、比表面积的增大和孔体积的增大，显著地促进了所设计的氧化还原电解质策略。
氧化还原添加剂与 Ti3C2Tx MXene 作用机制
据作者所知，优化后的 MXene 电极在所设计的氧化还原电解质中展现的电容（788 F g − 1，2 mV s − 1）是目前报道的 MXene 和 MXene/ 碳基超级电容器电极质量比电容最高值，同时还具有良好的倍率性能和相比于纯 MXene 电极更高的循环稳定性。所制备的超级电容器在 376.0 W kg − 1 的功率密度下获得高达 80.9 Wh kg − 1 的能量密度，并且具有高的循环稳定性以及明显抑制的自放电性能。所提出的氧化还原策略也有效地提高了凝胶电解质体系 MXene 基柔性超级电容器的电化学性能。此外还发现基于聚乙烯醇（PVA）氧化还原凝胶电解质的超级电容器的电化学性能总体上优于基于明胶（gelatin）和聚丙烯酰胺（PAM）氧化还原凝胶电解质的超级电容器。
电极工程优化后的 MXene 电极在设计的氧化还原电解质中的电化学性能
相关成果以 "Designed Redox-Electrolyte Strategy Boosted with Electrode Engineering for High-Performance Ti3C2Tx MXene-Based Supercapacitors" 为题发表在 Wiley 旗舰刊 Advanced Energy Materials 上，并被遴选为Editor ’ s Choice 论文。该论文的通讯作者是衣芳教授，第一作者是马睿。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目资助支持。
参考文献
https://doi.org/10.1002/aenm.202301219
作者：马睿 衣芳
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