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北京化工大學材料與化學學院Bin Zhao等--錨定在Ti3C2Tx MXenerGO氣凝膠上的Fe3O4納米粒子作為高級超級電容器的混合負電極

合理設計具有高能量存儲容量的三維混合氣凝膠電極是一個挑戰。本研究通過一步法成功制備了Ti₃C₂T_x/rGO/Fe₃O₄ (Fe-M/G)雜化氣凝膠，該過程中同時參與了乙二胺(EDA)誘導的自組裝和Fe₃O₄納米顆粒的原位生長。由于氣凝膠的三維分級多孔結構以及Fe₃O₄納米顆粒在Ti₃C₂T_x/rGO (M/G)納米片上的緊密錨定，Fe-M/G雜化氣凝膠具有出色的電化學性能，在1 mA cm⁻²時的面積電容為1250.5 mF cm⁻²，在5000次循環后的20 mA cm⁻²時的電容保持率為85.8%。值得注意的是，當Fe-M/G作為負電極與NiCo₂O₄/rGO作為正電極時，非對稱超級電容器(ASC)在1 mA cm⁻²時表現出365 mF cm⁻²的高面積電容，在30,000次循環后在20 mA cm⁻²時仍保持其初始電容的84.5%。此外，ASC器件在功率密度為802 μW cm⁻²的情況下，達到了130 μWh cm⁻²的顯著能量密度。該復合氣凝膠電極可能為高性能儲能器件的發展鋪平道路。

圖1 Fe-M/G氣凝膠制備工藝示意圖。

圖2. (a) Ti₃C₂T_x和Fe-M/G氣凝膠的XRD圖和(b)拉曼光譜，(c) 77 K下氮氣吸附等溫線，(d) M/G 9:1和Fe-M/G氣凝膠對應的孔徑分布。

圖3 (a) Fe1-M/G氣凝膠、(b) Fe2-M/G氣凝膠、(c) Fe3-M/G氣凝膠和(d) Fe4-M/G氣凝膠的SEM圖像;(e) TEM圖，(f) HRTEM圖，(g) Fe3-M/ g氣凝膠C、O、Ti、Fe元素的EDS mapping圖。

圖4. Ti₃C₂T_x和Fe3-M/G氣凝膠的高分辨率XPS光譜分別為(a) C 1s， (b) O 1s， (C) Ti 2p和(d) Fe 2p。

圖5 (a)在- 1.1 ~ - 0.3 V的電勢窗口中，5 mV s^-1的CV曲線;(b)在- 1.05 ~ - 0.35 V的電位窗口中，1 mA cm^-2的GCD曲線;(c)由GCD曲線計算出的作為放電電流密度函數的面積容量;(d) M/G 9:1和FeM/G氣凝膠電極的Nyquist曲線;和(e) Fe3-M/G電極在20 A cm⁻²的循環穩定性。

圖6。(a)確定不同峰值電流的b值;插圖為Fe3-M/G電極相應的CV曲線。(b) 2 mV s⁻¹下的電容效應(藍色區域)和擴散控制(白色區域)效應。(c) Fe3-M/G電極在不同掃描速率下電容和擴散控制容量的歸一化貢獻比例。

圖7。(a) NiCo₂O₄/rGO//Fe₃-M/G超級電容器的不對稱組裝示意圖;(b)掃描速率為20 mV s⁻¹時，不同電位窗口的CV曲線;(c)不同電流密度的GCD曲線;(d) ASC的Ragone圖;(e)電流密度為20 mA cm⁻²時的循環穩定性和庫侖效率。

相關科研成果由北京化工大學材料與化學學院Bin Zhao等人于2022年發表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04589)上。原文：Nanoparticles of Fe₃O₄ Anchored on Ti₃C₂T_x MXene/rGO Aerogels as Hybrid Negative Electrodes for Advanced Supercapacitors。

轉自《石墨烯研究》公眾號



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