北京化工大学材料与化学学院–锚定在Ti3C2Tx MXene/rGO气凝胶上的Fe3O4纳米粒子作为高级超级电容器的混合负电极

本研究通过一步法成功制备了Ti3C2Tx/rGO/Fe3O4 (Fe-M/G)杂化气凝胶,该过程中同时参与了乙二胺(EDA)诱导的自组装和Fe3O4纳米颗粒的原位生长。

合理设计具有高能量存储容量的三维混合气凝胶电极是一个挑战。本研究通过一步法成功制备了Ti3C2Tx/rGO/Fe3O4 (Fe-M/G)杂化气凝胶,该过程中同时参与了乙二胺(EDA)诱导的自组装和Fe3O4纳米颗粒的原位生长。由于气凝胶的三维分级多孔结构以及Fe3O4纳米颗粒在Ti3C2Tx/rGO (M/G)纳米片上的紧密锚定,Fe-M/G杂化气凝胶具有出色的电化学性能,在1 mA cm−2时的面积电容为1250.5 mF cm−2,在5000次循环后的20 mA cm−2时的电容保持率为85.8%。值得注意的是,当Fe-M/G作为负电极与NiCo2O4/rGO作为正电极时,非对称超级电容器(ASC)在1 mA cm−2时表现出365 mF cm−2的高面积电容,在30,000次循环后在20 mA cm−2时仍保持其初始电容的84.5%。此外,ASC器件在功率密度为802 μW cm−2的情况下,达到了130 μWh cm−2的显著能量密度。该复合气凝胶电极可能为高性能储能器件的发展铺平道路。

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图1 Fe-M/G气凝胶制备工艺示意图。

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图2. (a) Ti3C2Tx和Fe-M/G气凝胶的XRD图和(b)拉曼光谱,(c) 77 K下氮气吸附等温线,(d) M/G 9:1和Fe-M/G气凝胶对应的孔径分布。

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图3 (a) Fe1-M/G气凝胶、(b) Fe2-M/G气凝胶、(c) Fe3-M/G气凝胶和(d) Fe4-M/G气凝胶的SEM图像;(e) TEM图,(f) HRTEM图,(g) Fe3-M/ g气凝胶C、O、Ti、Fe元素的EDS mapping图。

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图4. Ti3C2Tx和Fe3-M/G气凝胶的高分辨率XPS光谱分别为(a) C 1s, (b) O 1s, (C) Ti 2p和(d) Fe 2p。

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图5 (a)在- 1.1 ~ – 0.3 V的电势窗口中,5 mV s-1的CV曲线;(b)在- 1.05 ~ – 0.35 V的电位窗口中,1 mA cm-2的GCD曲线;(c)由GCD曲线计算出的作为放电电流密度函数的面积容量;(d) M/G 9:1和FeM/G气凝胶电极的Nyquist曲线;和(e) Fe3-M/G电极在20 A cm−2的循环稳定性。

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图6。(a)确定不同峰值电流的b值;插图为Fe3-M/G电极相应的CV曲线。(b) 2 mV s−1下的电容效应(蓝色区域)和扩散控制(白色区域)效应。(c) Fe3-M/G电极在不同扫描速率下电容和扩散控制容量的归一化贡献比例。

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图7。(a) NiCo2O4/rGO//Fe3-M/G超级电容器的不对称组装示意图;(b)扫描速率为20 mV s−1时,不同电位窗口的CV曲线;(c)不同电流密度的GCD曲线;(d) ASC的Ragone图;(e)电流密度为20 mA cm−2时的循环稳定性和库仑效率。

相关科研成果由北京化工大学材料与化学学院Bin Zhao等人于2022年发表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04589)上。原文:Nanoparticles of Fe3O4 Anchored on Ti3C2Tx MXene/rGO Aerogels as Hybrid Negative Electrodes for Advanced Supercapacitors。

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