徐斌课题组：利用原位冰模板法构筑三维柔性MXene基膜电极

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材料学院徐斌教授团队在《Advanced Functional Materials》（IF=15.621）上发表了题为“In situ ice template approach to fabricate 3D flexible MXene film-based electrode for high performance supercapacitors”的学术论文，报道了一种利用原位冰模板法构筑三维柔性MXene基膜电极的新策略。三维结构的构筑抑制了MXene片层的堆叠，提高了MXene表面活性位点的利用率，使得构筑的三维柔性MXene基膜电极表现出了高的比电容、优异的循环和倍率性能。

       MXene作为一种新型二维材料，具有类金属的导电性、高密度和优异的赝电容特性，作为超级电容器电极时表现出高的体积比电容和优异的倍率性能，因此引起了研究人员的广泛关注。此外，由于其独特的二维层状结构，MXene可以制备成柔性薄膜电极，应用于可穿戴微电子器件。然而，在膜电极制备过程中，MXene层间范德华力引起的片层堆叠现象抑制了表面活性位点的有效利用和离子的快速输运，进而影响了MXene作为电极材料时的比容量和倍率性能。构筑三维多孔结构是抑制其片层堆叠、提高表面活性位点利用率的有效途径，但现有的方法大多较为繁琐，因此发展更为简便的制备高性能三维柔性自支撑MXene膜仍然是一个挑战。
        本工作将MXene水溶液真空抽滤成膜，采用冷冻干燥技术代替传统的真空干燥法对真空抽滤得到的MXene湿膜进行干燥处理。冷冻干燥过程中MXene层间的水分子原位形成冰模板，撑开堆叠的MXene片层，在真空脱除之后留下三维多孔结构的MXene膜电极。通过在MXene水溶液中引入CNTs，进一步在MXene层间引入更多的水分子和冰模板，使得构筑的三维结构更加发达。通过原位冰模板法构筑的三维MXene/CNTs膜电极不仅具有优异的柔韧性，而且显著提高了MXene表面活性位点的利用率，促进了离子的扩散和电子的传输，进而表现出优异的电化学性能。将三维柔性MXene/CNTs膜直接用作超级电容器的电极，在5 mV s-1的扫速下表现出了375.0 F g-1的比电容，扫描速率增加至1,000 mV s-1时容量保持率达到67.0%，继续增加扫速至10,000 mV s-1，仍能保持92 F g-1的比电容，表现出了优异的倍率性能。将三维柔性MXene/CNTs膜电极进一步组装成对称超级电容器器件，以电极材料计，其在498.6 W kg-1的功率密度下表现出23.9 Wh kg-1的能量密度。这一研究表明通过冷冻干燥，利用原位冰模板法构筑三维结构可以显著提高MXene膜电极的电化学性能，为三维柔性MXene基膜电极的构筑提供了新思路。
       本文第一作者为我校材料学院博士生张鹏，徐斌教授为本文的通讯作者，北京化工大学为完成单位。本研究工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。
       文章信息：Peng Zhang, Qizhen Zhu, Razium Ali Soomro, Shiyu He, Ning Sun, Ning Qiao, Bin Xu*, In Situ ice template approach to fabricate 3D flexible MXene film-based electrode for high performance supercapacitors. Adv. Funct. Mater., 2020, 2000922.
       全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202000922
       文章来源：北京化工大学
       徐斌，工学博士，北京化工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，材料电化学过程与技术北京市重点实验室副主任，中国超级电容产业联盟副秘书长。2006年博土毕业于北京理工大学环境工程专业，2016-2017年作为国家公派高级研修学者在美国德雷赛尔大学访问交流。主要从事先进化学电源与能源材料的研究与开发，包括超级电容器、锂/钠/钾离子电池、锂-硫电池电极材料与器件，以及电化学储能炭材料、新型二维MXene材料等。作为课题负责人先后承担国家自然基金(3项)、国家863 (2项)、北京市科技计划项目等十余项。在Adv Mater, Adv Energy Mater, Energy Eniron Sci, ACS Energy Let,Nano Energy等期刊发表sc论文90余篇，获省部级科技进步二等奖2项和全国优秀博士学位论文提名。