DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11547
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38651298
تاريخ النشر: 2024-04-23
المؤلف: Yijia Luo وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد MXene وMAX Phase
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا لتعزيز أداء المكثفات الفائقة المعتمدة على MXene من خلال استخدام السليلوز البكتيري (BC) ومعالجة هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) لإنشاء قطب كهربائي مركب MXene/BC (A-M/BC). تعمل الطريقة على توسيع واستقرار المساحة بين الطبقات بين رقائق Ti3C2Tx MXene، مما يؤدي إلى هيكل ميكرو مسامي ذو مساحة سطح عالية تبلغ 62.47 م²/غ. يؤدي التلدين عند درجات حرارة منخفضة إلى كربنة جزئية للسليلوز البكتيري، مما يزيد من الموصلية الكهربائية للأفلام. بالإضافة إلى ذلك، تقلل المعالجة من المجموعات الوظيفية غير المرغوب فيها (-F، -Cl، -OH) مع الاحتفاظ بالمجموعات المفيدة (-Na، -O)، مما يحسن الموصلية بشكل كبير.
يحقق القطب الكهربائي A-M/BC سعة ملحوظة تبلغ 594 ف/غ عند كثافة تيار تبلغ 1 أ/غ في إلكتروليت 3M H2SO4، وهو ما يعادل ضعف سعة الأفلام المعالجة بشكل مشابه بدون BC (309 ف/غ) وMXene النقي (298 ف/غ). كما يظهر الجهاز كثافة طاقة تبلغ 9.63 واط/كغ عند كثافة طاقة تبلغ 250 واط/كغ، مع احتفاظ مثير للإعجاب بالسعة بنسبة 83.46% بعد 10,000 دورة شحن/تفريغ عند 50 أ/غ. ومع ذلك، تشير الدراسة إلى أن الإدماج المفرط للسليلوز البكتيري أو الكربنة يمكن أن يؤثر سلبًا على الأداء الكهروكيميائي من خلال التأثير على الميكروهيكل لـ MXene. بشكل عام، تسلط هذه الدراسة الضوء على أهمية تنظيم المجموعات الوظيفية وتقدم طريقة فعالة من حيث التكلفة لتصنيع أقطاب أفلام عالية الأداء لتطبيقات تخزين الطاقة.
طرق
في القسم التجريبي، يتم تفصيل إعداد رقائق Ti3C2Tx (MXene) النانوية. بدأت العملية بتخليق مسحوق Ti3AlC2 MAX من خلال تلبيد خليط من Ti وTiC وAl بنسبة مولية تبلغ 1:2:1.2 عند 1350 درجة مئوية لمدة ساعتين في جو من الأرجون. تم طحن الصلب الناتج ونخله عبر شبكة 400 للحصول على مسحوق MAX، والذي تم حفره انتقائيًا باستخدام محلول من HCl وLiF لإزالة طبقة الألمنيوم، مما أسفر عن هيكل Ti3C2Tx MXene ثنائي الأبعاد.
شمل عملية الحفر إذابة 2 غرام من LiF في 20 مل من HCl 9M، حيث تمت إضافة 1 غرام من مسحوق Ti3AlC2 تدريجيًا مع التحريك عند 35 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. بعد ذلك، تم طرد الخليط باستخدام الماء النقي حتى وصل السائل العلوي إلى درجة حموضة محايدة. ثم تم توزيع الرواسب في 200 مل من الماء النقي وتمت عملية الصوتنة في حمام ثلجي لمدة ساعتين مع فقاعات غاز الأرجون. بعد الطرد المركزي عند 3500 دورة في الدقيقة لمدة 45 دقيقة، تم جمع السائل العلوي الداكن الأخضر، مما أسفر عن تركيز قدره 0.5 ملغ مل\(^{-1}\) من Ti3C2Tx MXene للتجارب اللاحقة.
نتائج
تتناول قسم النتائج في الدراسة تخليق وتوصيف الأفلام المركبة المسامية المعالجة بالقلويات MXene/سليلوز بكتيري (BC). شملت عملية التصنيع حفر مسحوق Ti3AlC2 MAX للحصول على رقائق Ti3C2Tx MXene المنفصلة، تليها خلطها مع ألياف BC النانوية وتحفيز التكتل باستخدام NaOH. تم توصيف الأفلام المركبة الناتجة، المسماة A-M/BC-x بناءً على تركيز BC، باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) ومجهر الإلكترون الناقل (TEM) ومجهر الإلكترون الماسح (SEM). كشفت النتائج أن رقائق MXene كانت بحجم عدة مئات من النانومترات وسمكها 2.05 نانومتر، مع جهد زتا قدره -38.86 مللي فولت، مما يدل على استقرار جيد في التعليق. عززت إضافة BC الخشونة والمسافة بين الطبقات للأفلام، وهو ما تم تأكيده من خلال تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) وSEM.
أظهرت تقييمات الأداء الكهروكيميائي أن فيلم A-M/BC-0.2 أظهر سعة متفوقة، محققًا سعة جاذبية قدرها 594 ف غ⁻¹، وهو أعلى بكثير من سعة MXene النقي والمركبات الأخرى المختبرة. يُعزى الأداء المحسن إلى الربط الفعال بين BC وMXene، مما يقلل من إعادة التكديس ويزيد من حجم المسام، مما يسهل نقل الأيونات. تختتم الدراسة بأن معالجة القلويات والتلدين اللاحق تعدل بشكل فعال المجموعات الوظيفية السطحية لـ MXene، مما يحسن الموصلية والخصائص الكهروكيميائية، بينما يوفر استخدام مواد كيميائية غير مكلفة مثل NaOH وBC نهجًا فعالًا من حيث التكلفة لتعزيز المواد المعتمدة على MXene.
نقاش
في هذه الدراسة، تم تقييم الأداء الكهروكيميائي لأفلام المركبات المعالجة بالقلويات MXene/سليلوز بكتيري (A-M/BC)، مما يكشف عن تحسينات كبيرة في السعة والاستقرار. وصلت السعة الجاذبية (Cg) للعينة المثلى، A-M/BC-0.2، إلى 594 ف غ$^{-1}$ عند كثافة تيار تبلغ 1 أ غ$^{-1}$، وهو ما يعادل ضعف سعة MXene النقي (298 ف غ$^{-1}$). كما تم تحسين السعة السطحية (Cs) والسعة الحجمية (Cv) بشكل ملحوظ، حيث بلغت 874 مللي ف/cm$^{-2}$ و2186 ف/cm$^{-3}$، على التوالي. سلطت الدراسة الضوء على أن المساهمة السطحية في السعة زادت مع معدل المسح، مما يدل على تحسين انتشار الأيونات ونقل الإلكترونات، مما ساهم في قدرة الفيلم الفائقة على التحمل واستقراره في الدورات.
كشفت مطيافية impedence الكهروكيميائية (EIS) أن المقاومة الداخلية (Rs) ومقاومة نقل الشحنة (Rct) لأفلام A-M/BC انخفضت مع محتوى BC الأمثل، مما يعزز الموصلية. أظهر فيلم A-M/BC-0.2 استقرارًا ممتازًا في الدورات، محتفظًا بـ 83.46% من سعته الأولية بعد 10,000 دورة عند 50 أ غ$^{-1}$، وحقق كفاءة كولومبية قدرها 101.22%. بالإضافة إلى ذلك، حقق المكثف الفائق المتماثل (SSC) المستند إلى هذا الفيلم أقصى كثافة طاقة تبلغ 9.63 واط كغ$^{-1}$ عند كثافة طاقة تبلغ 250 واط كغ$^{-1}$، مما يظهر إمكانيته لتطبيقات الطاقة العالية. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية تنظيم المجموعات الوظيفية السطحية وتحسين محتوى BC لتعزيز الخصائص الكهروكيميائية للمواد المعتمدة على MXene لتطبيقات تخزين الطاقة.
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11547
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38651298
Publication Date: 2024-04-23
Author(s): Yijia Luo et al.
Primary Topic: MXene and MAX Phase Materials
Overview
This research presents a novel approach to enhance the performance of MXene-based supercapacitors by utilizing bacterial cellulose (BC) and sodium hydroxide (NaOH) treatment to create a composite MXene/BC (A-M/BC) electrode. The method effectively expands and stabilizes the interlayer space between Ti3C2Tx MXene flakes, resulting in a microporous structure with a high surface area of 62.47 m²/g. Low-temperature annealing partially carbonizes the BC, which increases the electrical conductivity of the films. Additionally, the treatment reduces undesirable functional groups (-F, -Cl, -OH) while retaining beneficial ones (-Na, -O), significantly improving conductivity.
The A-M/BC electrode achieves a remarkable capacitance of 594 F/g at a current density of 1 A/g in a 3M H2SO4 electrolyte, which is double that of similarly processed films without BC (309 F/g) and pure MXene (298 F/g). The device also demonstrates an energy density of 9.63 Wh/kg at a power density of 250 W/kg, with an impressive capacitance retention of 83.46% after 10,000 charge/discharge cycles at 50 A/g. However, the study notes that excessive incorporation of BC or carbonization can negatively impact electrochemical performance by compromising the microstructure of MXene. Overall, this work highlights the importance of functional group regulation and offers a cost-effective method for fabricating high-performance film electrodes for energy storage applications.
Methods
In the experimental section, the preparation of Ti3C2Tx (MXene) nanoflakes is detailed. The process began with the synthesis of Ti3AlC2 MAX powder through the sintering of a Ti, TiC, and Al mixture in a molar ratio of 1:2:1.2 at 1350 °C for 2 hours in an argon atmosphere. The resulting solid was pulverized and sieved through a 400-mesh to obtain the MAX powder, which was then selectively etched using a solution of HCl and LiF to remove the aluminum layer, yielding the 2D Ti3C2Tx MXene structure.
The etching process involved dissolving 2 g of LiF in 20 mL of 9M HCl, into which 1 g of Ti3AlC2 powder was gradually added while stirring at 35 °C for 24 hours. Following this, the mixture was centrifuged with ultrapure water until the supernatant reached a neutral pH. The sediment was then dispersed in 200 mL of ultrapure water and sonicated in an ice bath for 2 hours with argon gas bubbling. After centrifugation at 3500 rpm for 45 minutes, the dark green supernatant was collected, resulting in a concentration of 0.5 mg mL\(^{-1}\) of Ti3C2Tx MXene for subsequent experiments.
Results
The results section of the study details the synthesis and characterization of alkali-treated porous MXene/bacterial cellulose (BC) composite films. The fabrication process involved etching Ti3AlC2 MAX powder to obtain delaminated Ti3C2Tx MXene flakes, followed by mixing with BC nanofibers and inducing flocculation using NaOH. The resulting composite films, named A-M/BC-x based on BC concentration, were characterized using atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), and scanning electron microscopy (SEM). The findings revealed that the MXene flakes were several hundred nanometers in size and 2.05 nm thick, with a zeta potential of -38.86 mV, indicating good stability in suspension. The addition of BC enhanced the roughness and interlayer spacing of the films, which was confirmed by X-ray diffraction (XRD) and SEM analyses.
Electrochemical performance evaluations showed that the A-M/BC-0.2 film exhibited superior capacitance, achieving a gravimetric capacitance of 594 F g⁻¹, significantly higher than that of pure MXene and other tested composites. The enhanced performance is attributed to the effective cross-linking of BC with MXene, which mitigates restacking and increases pore size, facilitating ion transport. The study concludes that the alkali treatment and subsequent annealing effectively modify the surface functional groups of MXene, improving conductivity and electrochemical properties, while the use of inexpensive reagents like NaOH and BC presents a cost-effective approach for enhancing MXene-based materials.
Discussion
In this study, the electrochemical performance of alkali-treated MXene/bacterial cellulose (A-M/BC) composite films was evaluated, revealing significant enhancements in capacitance and stability. The gravimetric capacitance (Cg) of the optimal sample, A-M/BC-0.2, reached 594 F g$^{-1}$ at a current density of 1 A g$^{-1}$, which is double that of pure MXene (298 F g$^{-1}$). The areal capacitance (Cs) and volumetric capacitance (Cv) were also notably improved, measuring 874 mF cm$^{-2}$ and 2186 F cm$^{-3}$, respectively. The study highlighted that the surface capacitive contribution increased with scan rate, indicating enhanced ion diffusion and electron transfer, which contributed to the film’s superior rate capability and cycling stability.
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) revealed that the internal resistance (Rs) and charge transfer resistance (Rct) of the A-M/BC films decreased with optimal BC content, enhancing conductivity. The A-M/BC-0.2 film demonstrated excellent cycling stability, retaining 83.46% of its initial capacitance after 10,000 cycles at 50 A g$^{-1}$, and exhibited a coulombic efficiency of 101.22%. Additionally, the symmetric supercapacitor (SSC) based on this film achieved a maximum energy density of 9.63 Wh kg$^{-1}$ at a power density of 250 W kg$^{-1}$, showcasing its potential for high-energy applications. Overall, the findings underscore the effectiveness of regulating surface functional groups and optimizing BC content to enhance the electrochemical properties of MXene-based materials for energy storage applications.