電解質(zhì)致密多孔MXene 復(fù)合電極具有較高離子可及表面和較快的離子傳輸速率，在高體積性能超級電容器(SCs)方面顯示出非凡的應(yīng)用前景，但它們在很大程度上受到倍率性能不足和電化學(xué)循環(huán)性能差的限制，與多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的機械不穩(wěn)定性有關(guān)。利用化學(xué)鍵設(shè)計，通過在皺縮的MXene薄片上原位生長BP納米顆粒，成功制備了具有3D多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的黑磷 (BP)@MXene致密薄膜。在BP-MXene 面處形成的強界面相互作用（Ti-O-P 鍵），不僅增強了BP-MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的原子電荷極化，提供了足夠的界面電子傳輸，而且還大大提高了機械穩(wěn)定性。具有商業(yè)級質(zhì)量負載（~15 mg cm
−2）的BP@MXene 復(fù)合薄膜全封裝的 SCs 可提供 72.6 Wh L
−1 的高電堆體積能量密度，接近鉛酸電池的能量密度（50-90 Wh L
-1)，以及長期穩(wěn)定性（50000 次循環(huán)后容量保持率為 90.58%）。如此高的能量密度彌合了傳統(tǒng)電池 SCs之間的差距，代表了在設(shè)計緊湊電極以實現(xiàn)商業(yè)級電容儲能方面的及時突破。
Figure 1. 合成具有強 Ti-O-P 鍵的皺縮BP@MXene（BP@Ti
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2）復(fù)合材料的示意圖。
Figure 2. 異質(zhì)結(jié)構(gòu)BP@MXene復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征。（a）堿誘導(dǎo)的3D起皺 Ti
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2（OH）
x 網(wǎng)絡(luò)和（b和c）皺縮的異質(zhì)結(jié)構(gòu)BP@MXene復(fù)合材料的SEM圖，放大倍數(shù)增加。(d)在MXene 薄片上生長的BP納米顆粒的低倍放大和(e)放大TEM圖。(f)MXene-BP界面的HRTEM圖，取自（e）部分中的白色虛線框。(g1)MXene的HRTEM圖和(g2)相應(yīng)的FFT結(jié)果。(h1)BP的HRTEM圖和(h2)相應(yīng)的FFT結(jié)果。(i)異質(zhì)結(jié)構(gòu)BP@MXene復(fù)合材料的HAADF圖和相應(yīng)的EDS映射圖。(j) Ti L-edge和(k) O K-edge的電子能量損失譜，取自MXene薄片（第i部分中的區(qū)域1）和附近MXene-BP界面（第i部分中的區(qū)域2）。
Figure 3.異質(zhì)結(jié)構(gòu)BP@MXene 復(fù)合材料的表征。 BP@MXene 復(fù)合材料和 MXene的(a)Ti 2p和(b) P 2p 的高分辨率 XPS 光譜。(c) BP@MXene 復(fù)合材料、MXene和BP的拉曼光譜。(d) Ti K-edge的歸一化XANES 光譜。(e) BP@MXene 復(fù)合材料、MXene、Ti箔和TiO2的EXAFS數(shù)據(jù)在Ti K-edge XANES光譜上的相應(yīng)k3加權(quán)傅立葉變換曲線。 (f) P K-edge的歸一化XANES光譜。
Figure 4. DFT計算結(jié)果。(a)用于描繪MXene和BP@MXene 復(fù)合材料的模型的頂視圖和側(cè)視圖。黃色、黑色、紫色和藍色的原子分別代表 Ti、C、O和P。(b)計算出的MXene和BP@MXene 復(fù)合材料之間的電荷密度差異。等值是0.01以更好地繪制差異。(c)計算出MXene和BP@MXene 復(fù)合材料的PDOS，費米能級對齊。(d) 計算MXene和BP@MXene 復(fù)合材料上最穩(wěn)定的Na和SO
42-吸附位點的結(jié)合能。(e，f)計算的MXene和吸附有Na和SO
42−離子的BP@MXene復(fù)合材料之間的電荷密度分布差異。
Figure 5. BP@MXene薄膜的表征和BP@MXene 薄膜電極的電化學(xué)表征。(a)具有高柔韌性的獨立式BP@MXene薄膜的數(shù)碼照片。(b)層狀BP@MXene多孔結(jié)構(gòu)的橫截面SEM圖。(c) MXene和BP@MXene薄膜的XRD 圖。(d)MXene和 BP@MXene 薄膜的N
2吸附-解吸等溫線（STP，標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力）。插圖是孔徑分布。MXene和BP@MXene-SCs 在1.0 M Na
2SO
4電解質(zhì)中在 2.0 mV s
-1 掃描速率下的（e）EIS 圖和（f）CV曲線的比較。(g)計算的體積電容與BP@MXene薄膜的電流密度。
Figure6. 基于BP@MXene薄膜電極的SCs在EMIMTFSI電解質(zhì)中的電化學(xué)表征。BP@MXene-SC在不同掃描速率下的CV曲線（a）和不同電流密度下的（b）GCD曲線。(c)計算的體積電容與BP@MXene電極的電流密度。(d) BP@MXene 電極的體積電容與不同電流密度的關(guān)系（BP@MXene面質(zhì)量負載為1.0至15 mg cm
-2）。(e)體積電容保持率與
felectrode電極的燃燒通過增強BP@MXene膜的面積質(zhì)量負載，優(yōu)化為15 mg cm
-2。（f）BP@MXene-SC（每電極15 mg cm
-2）與報告值和最先進的ESD（商業(yè)SC和鉛酸電池）的Ragone圖。應(yīng)該注意的是，所有呈現(xiàn)的能量和功率密度值都按整個設(shè)備的總體積進行歸一化，而不僅僅是電極。 (g) BP@MXene-SC在50 A cm
-3 電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性（BP@MXene 復(fù)合材料的面質(zhì)量負載為 15 mg cm
-2）。(h) 兩個不同尺寸的商用級電容袋（80mm×110 mm和50 mm×80mm）和（i）兩個串聯(lián)的電容袋（80mm×110 mm）的數(shù)字光學(xué)圖像，為“圣誕樹”標(biāo)志，帶有彩色LED。
相關(guān)研究成果由新加坡國立大學(xué)John Wang，Jie Yang課題組和中科院高能物理研究所Lirong Zheng課題組于2021年發(fā)表在《ACS NANO》（https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01817）上。原文：Black Phosphorus@Ti
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xMXene Composites with Engineered Chemical Bonds for
Commercial-Level Capacitive Energy Storage。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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