開(kāi)發(fā)具有超穩(wěn)定離子納米通道和低曲折度的柔性 MXene 基電極對(duì)于長(zhǎng)期可穿戴電子設(shè)備而言仍然是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。本文介紹了一種氫鍵增強(qiáng)多孔 MXene (HC-HMXene) 電極，具有最大離子可及性、優(yōu)化的離子傳輸路徑和超穩(wěn)定離子納米通道。具體而言，在 HMXene 薄膜中引入平面介孔、減小橫向尺寸和增加層間距這三種作用顯著提高了電解質(zhì)滲透效率并縮短了電極的離子傳輸路徑（導(dǎo)致曲折度降低了 78.7 倍）。因此，與具有相同 MXene 質(zhì)量負(fù)載的緊密堆疊薄膜電極相比，構(gòu)建的 HC-HMXene 電極的擴(kuò)散系數(shù)高 41.1 倍，比電容高 2.3 倍。此外，在MXene層間引入芳綸納米纖維作為聯(lián)鎖劑，通過(guò)氫鍵作用將納米片連接在一起，顯著提高了離子通道的穩(wěn)定性。因此，HC-HMXene薄膜在水介質(zhì)中有效抵抗溶脹行為并保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，以HC-HMXene為基礎(chǔ)的鋅離子微電容器為動(dòng)力的柔性傳感集成系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體生理特征方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
圖 1. a HC-HMXene 膜相對(duì)于 MXene 膜的具體優(yōu)勢(shì)示意圖。b MXene 與 ANF 之間氫鍵形成的原子結(jié)構(gòu)和差異電荷示意圖。c 浸泡過(guò)程中 MXene 和 HC-HMXene 浸沒(méi)的微觀受力示意圖。d MXene 和 e HMXene 上不同位置的差異電荷圖。f 不同位置 Zn2+ 吸附能匯總。g 使用 COMSOL 軟件模擬原始 MXene 和 HMXene 中的離子傳輸通量。h 從模擬中得出的摩爾流速和凈電流。
圖 2. a 制造 HC-HMXene 復(fù)合膜和組裝 ZIMC 所涉及過(guò)程的示意圖。b MAX 和 MXene 的 HAADF-STEM 圖像。c MXene 和 d HMXene 的 SEM 圖像；插圖顯示相應(yīng)的橫向尺寸分布。e HMXene 納米片的 HAADF-STEM 圖像；插圖顯示孔尺寸分布。f MXene 和 g HMXene 的 TEM 圖像；插圖顯示 SAED 圖案。h 多孔納米片的高倍 HAADF-STEM 圖像，橙色箭頭標(biāo)記空位。i HMXene 納米片的 HAADF-STEM 圖像和 EDS 映射。j ANF 納米纖維的 TEM 圖像。
圖3. a-d 不同 MXene 基材料的光學(xué)圖像和廷德?tīng)栃?yīng)。e-h 不同 MXene 基薄膜的橫截面 SEM 圖像。i MXene 和 HC-HMXene 的氮吸附-解吸等溫線和 j 孔徑分布。k 不同 MXene 基薄膜和 MAX 粉末的 XRD 圖案。l ANF 和不同 HMXene 基薄膜的 FTIR 光譜。m 耦合范德華引力和靜電排斥的總力隨層間距離變化的示意圖。n 從 XRD 圖案獲得的 MXene 和 HC-HMXene 膜在水溶液中的離子納米通道的穩(wěn)定性比較。將濕樣品浸泡在去離子水中 0.5 小時(shí)后進(jìn)行測(cè)量。o 浸泡前后 MXene 和 HC-HMXene 薄膜穩(wěn)定性的數(shù)字圖像。
圖 4. a 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，b 不同 MXene 基薄膜的拉伸強(qiáng)度和 c 韌性。d ZIMC 在充電過(guò)程中的工作機(jī)制以及放電過(guò)程中 Zn2+ 插入的 iDPC 和 HADDF 圖。e 不同 MXene 基 ZIMC 的 CV 和 f GCD 曲線。g-h HC-HMXene 和 MXene 基 ZIMC 的奈奎斯特圖和相應(yīng)擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算。i Ä 計(jì)算示意圖。j 我們的 ZIMC 的 Ragone 圖與文獻(xiàn)中報(bào)道的其他器件的 Ragone 圖進(jìn)行了比較。
圖 5. a-b 單個(gè)、并聯(lián)和串聯(lián) ZIMC 的 CV 和 GCD 曲線；插圖顯示了帶有 ZIMC 的并聯(lián)和串聯(lián)電路的照片。c 不同彎曲角度下的 ZIMC 的 GCD 和 d CV 曲線。e 低自放電機(jī)制原理的示意圖。f 使用 GCD 和開(kāi)路電壓測(cè)試獲得的 24 小時(shí)自放電電阻。g 電路和 h 集成傳感系統(tǒng)的示意圖。傳感裝置的輸出電流信號(hào)對(duì)應(yīng)于 i 快速手指敲擊、j 緩慢手指按壓和 k 周期性加載-卸載 a 重物。
相關(guān)科研成果由安徽大學(xué)Yang Yue, Siliang Wang, Li Wen等于2024年發(fā)表在Energy Storage Materials（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103829）上。原文：Hyperstable Low-tortuosity Fast Ion Nanochannels for MXene Electrodes
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103829
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
