MXene/Bi2O3纳米复合材料作为便携式电子设备的超级电容器

《Energy & Fuels》：MXene/Bi2O3 Nanocomposites as Supercapacitors for Portable Electronic Devices

MXene/Bi?O?纳米复合材料通过室温共沉淀法合成，有效解决MXene纳米片堆叠问题并提升超级电容器性能，能量密度达42 Wh/kg，循环稳定性92%，成功应用于便携设备供电。

　　在现代科技快速发展的背景下，超级电容器因其快速的电化学响应、优异的稳定性、适中的功率密度、较高的能量密度以及出色的循环寿命，正逐渐成为储能设备领域的重要研究方向。然而，尽管超级电容器在诸多方面表现出色，其实际应用仍面临一些关键挑战，尤其是在电极材料的设计与优化方面。其中，二维MXene材料在超级电容器中的应用潜力巨大，但其在实际制备过程中常遭遇纳米片重叠（restacking）和聚集（aggregation）等问题，这些问题严重限制了其在电化学性能上的表现。为了解决这一问题，研究人员探索了多种策略，其中一种方法是通过在MXene表面修饰其他功能性材料，以改善其结构特性并增强电化学性能。本文介绍了一种通过共沉淀法（coprecipitation method）制备的Bi?O?纳米花修饰的MXene电极材料，并将其应用于超级电容器的构建中，展示了该材料在储能技术中的实际应用价值。

MXene是一种由过渡金属碳化物或氮化物通过化学剥离MAX相（一种由金属、A元素和X元素组成的三元化合物）制备得到的二维材料。其独特的结构特点，如高导电性、开放的多孔结构和可调节的氧化态，使其成为超级电容器的理想候选材料。然而，MXene纳米片在溶液中容易发生重叠，导致其内部结构被破坏，从而影响电荷存储能力和离子传输效率。此外，MXene的表面活性较低，限制了其在电解液中的离子扩散能力，进一步降低了其整体性能。为克服这些限制，研究者尝试将MXene与其他具有高电化学活性的材料结合，例如金属氧化物或导电聚合物，以提升其储能能力。

本文中，研究人员采用共沉淀法在MXene纳米片表面修饰Bi?O?纳米花，从而有效解决了MXene的重叠和聚集问题。Bi?O?作为一种具有广泛应用前景的过渡金属氧化物，因其低成本、丰富的氧化还原活性、约1 V的工作电压窗口、丰富的资源储备以及环境友好性，被认为是超级电容器中极具潜力的电极材料。此外，Bi?O?具有较高的比表面积，能够提供更多的活性位点，促进电荷存储过程中的离子吸附和脱附。通过将Bi?O?纳米花均匀地分布在MXene纳米片表面，不仅改善了MXene的导电性，还显著提升了其电化学性能。该修饰过程依赖于MXene表面存在的–OH、–O和–F等官能团，这些官能团能够通过静电相互作用和范德华力，将Bi2?离子有效地吸附在MXene表面，从而实现Bi?O?纳米花的自组装生长。

为了验证该材料的性能，研究人员进一步构建了基于MXene/Bi?O?和MnCo?O?的不对称超级电容器原型。MnCo?O?作为一种常见的正极材料，具有较高的比电容和良好的电化学稳定性。通过将MXene/Bi?O?作为负极，MnCo?O?作为正极，组装成一个柔性、便携的超级电容器装置，研究人员成功实现了该材料在实际储能设备中的应用。该装置在实验室规模下表现出优异的电化学性能，包括高达613 F/g的比电容、87%的循环稳定性（在5000次循环后）以及显著的能量和功率密度。这些性能指标表明，MXene/Bi?O?//MnCo?O?超级电容器具有较高的应用潜力，特别是在需要高能量密度和快速充放电能力的便携式电子设备中。

在电化学性能测试中，研究人员使用了循环伏安法（cyclic voltammetry）、恒流充放电测试（charge–discharge tests）和电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy, EIS）等方法，对MXene/Bi?O?纳米花修饰的电极材料进行了系统分析。结果显示，MXene/Bi?O?电极在不同扫描速率下均表现出良好的可逆性，其电流响应随着扫描速率的增加而提高，但其循环伏安曲线的形状基本保持一致，说明其具有出色的电化学稳定性。此外，该电极在不同电流密度下的充放电曲线显示出较高的比电容值，表明其在高功率密度条件下仍能保持良好的性能。相比之下，纯MXene和纯Bi?O?电极的比电容值分别约为297 F/g和405 F/g，明显低于MXene/Bi?O?复合材料的613 F/g。这一结果表明，Bi?O?纳米花的修饰显著提升了MXene的电化学性能。

电化学阻抗谱（EIS）测试进一步验证了MXene/Bi?O?复合材料的优越性。EIS分析显示，MXene/Bi?O?电极的电荷转移电阻（Rct）仅为约4 Ω，远低于纯MXene（约31 Ω）和纯Bi?O?（约6 Ω）。电荷转移电阻的降低意味着电极材料的导电性得到了显著提升，从而加快了电荷的传输速率，提高了电容器的充放电效率。这一特性对于超级电容器在实际应用中非常重要，因为电荷传输速率直接影响其功率密度和能量输出能力。

为了进一步评估该复合材料在实际应用中的表现，研究人员构建了一个实验室级别的不对称超级电容器原型，用于驱动小型便携式机器人、交通信号灯和红蓝LED等设备。实验结果显示，该超级电容器在5000次循环后仍能保持约92%的稳定性，显示出良好的循环性能。同时，其能量密度和功率密度分别达到了约42 Wh/kg和1420 W/kg，远高于传统电容器和部分电池材料。这一结果表明，MXene/Bi?O?复合材料不仅在实验室条件下表现出优异的电化学性能，而且在实际应用中也具有可行性。

此外，本文还探讨了MXene/Bi?O?复合材料在结构和性能上的优势。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等手段，研究人员确认了Bi?O?纳米花在MXene表面的均匀分布。SEM图像显示，Bi?O?纳米花以薄片状结构存在，并呈现出卷曲的形态，这种结构有助于形成更高效的电解质离子传输通道，从而提升电容器的性能。XRD分析则进一步证明了Bi?O?的引入并未破坏MXene的原始结构，而是通过增加MXene层间的间距，优化了其电化学性能。

综上所述，本文提出了一种通过共沉淀法在MXene表面修饰Bi?O?纳米花的策略，有效解决了MXene在超级电容器应用中的重叠和聚集问题，同时显著提升了其电化学性能。通过构建MXene/Bi?O?//MnCo?O?不对称超级电容器，研究人员展示了该材料在实际储能设备中的应用潜力，为高性能、实验室级别的储能装置提供了新的思路。此外，该研究还表明，在常温下进行的自组装过程不仅简化了材料合成的步骤，还为未来开发新型、高效、环保的储能材料奠定了基础。这些成果有望推动MXene基复合材料在能源存储领域的广泛应用，特别是在便携式电子设备和智能系统中。