Energy：表面化学改性MXene的储能机理

第一作者：关云锋

通讯作者：关云锋

通讯单位：湖北工程学院

【研究背景】

由于对先进电子设备需求的激增，开发可靠的电化学储能技术的重要性日益突出。超级电容器因其高功率密度和长寿命在这一领域占据了前沿位置。与传统的电双层电极材料不同，赝电容电极材料能够通过其表面的快速且可逆的氧化还原反应来存储电荷，从而显著提高超级电容器的能量密度。尽管金属氧化物和导电聚合物作为赝电容电极材料已被广泛研究，但其更广泛的应用受限于有限的导电性和结构稳定性。

作为一种新兴的二维材料，MXenes，包括过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，是通过自上而下的方法从MAX相衍生而来。这些材料展现出优越的赝电容性能，并且比传统的赝电容电极材料（如过渡金属氧化物和导电聚合物）具有更优异的循环稳定性。MXenes具有独特的性质，包括优异的导电性、亲水性和可调节的表面化学官能团。这些表面官能团的性质对于MXenes的电化学稳定性和性能至关重要。

氮掺杂策略被广泛认为是一种有效提升MXene电容性能的途径。然而，迄今为止，对于氮掺杂提升MXene电极性能的解释仍沿用先前针对氮掺杂石墨的理论。鉴于石墨烯和MXene在结构和性质上的显著差异，这种传统解释并不能充分揭示氮掺杂对MXene电容储能过程的具体影响。此外，先前的研究在探讨氮掺杂MXene储能机制时，忽略了氮掺杂对MXene表面化学性质的改变，因而未能准确阐明氮掺杂在MXene电极储能过程中的具体作用。

【拟解决的关键问题】
制备具有可控表面化学特性的氮掺杂MXene，并精确阐述氮掺杂在MXene电极储能过程中的具体作用。

【研究思路剖析】
1. 通过简单的尿素水热法，调节反应温度，制备了表面官能团可控的氮掺杂的MXene。
2. 通过理论计算和实验数据分析氮掺杂在MXene电极储能过程中的具体作用。

图1. 本工作和之前的工作的对比

要点1. 制备了具有表面可控的氮掺杂的MXene。

图2. 表面修饰和氮掺杂MXene的理论计算

要点2. 表面官能团优化和氮掺杂可以提高MXene电极的电子导电率和结构稳定性。

图3. 氮掺杂MXene的XRD表征

要点3. 与未掺杂的V2C MXene相比，氮掺杂后的MXene表现出减小的层间距，这可能归因于MXene层间水分子的去除或表面官能团的自交联反应。

图4. 氮掺杂MXene的表面化学性质分析

要点4. 制备的氮掺杂MXene的表面化学官能团显示出有规律的变化，这为后续对其电容性能的分析提供了有利条件。

图5. 氮掺杂MXene的电化学性能

要点5. 通过控制水热温度可以显著调控氮掺杂MXene的电容行为。

图6. 表面官能团修饰和氮掺杂过程

要点6. 通过实验数据分析，揭示了表面官能团修饰和氮掺杂过程。

【意义分析】
总之，本研究通过水热法合成了一种V2CTx MXene，并通过控制其表面化学官能团，探讨了氮掺杂位点对电容行为的影响。理论计算表明，优化表面化学不仅能够提高电子导电性，还能提升V2CTx MXene的功函数，从而促进电子传输并增强结构稳定性。表面吸附（SA）和官能团替换（FS）在提高赝电容方面发挥了重要作用，而晶格替换（LS）对于增强电双层电容至关重要。最终得到的N-V2CTx-160电极表现出优异的电化学性能。

【原文链接】

Yunfeng Guan, Song Jiang, Yu Ding, Binyi Xiao, Yuqiang Pi, Zhaoyang Wang, Ye Cong, Insight into the Mechanism of Nitrogen Doping in MXenes with Controllable Surface Chemistry, Materials Today Energy, 2024, 101642, 2468-6069.

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2024.101642.