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江南大学孙洁副教授团队研究成果：MXene修饰碳纤维电极的制备及其超级电容器性能研究
引言：论文基于江南大学孙洁副教授团队研究成果以及国家自然科学基金资助，文章采用冷冻干燥的方法，使分散的MXene纳米片层吸附在酸化后的碳纤维表面，制备出了CF@MXene复合电极，从不同的浸渍次数和MXene浓度的角度考察纳米片层在CF表面的吸附情况对电化学性能的影响，通过提升CF表面MXene纳米片层的负载量，增强电极材料的电化学性能，并对不同的MXene溶液浓度以及纤维在溶液中的浸渍次数对复合电极微观形貌和电化学性能的影响做了深入研究，为探寻高性能CF@MXene复合电极材料的制备工艺提供数据基础。
文章发表于《功能材料》2022年第53卷第5期，欢迎引用本文：
成丽媛,屈芸,赵鑫,等.MXene修饰碳纤维电极的制备及其超级电容器性能研究[J].功能材料,2022,53(5): 5039-5047.
Cheng L Y,Qu Y,Zhao X,et al.Preparation of MXene modified carbon fiber electrode and study on supercapacitor performance[J].Journal of Functional Materials,2022,53(5):5039-5047.
一、全文速览
超级电容器具有比电容大、功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优异性能被广泛的应用于电子、航空等领域，受到了人们的极大关注。碳纤维是典型的双电层电容电极材料，不仅导电性优良，而且力学性能突出，耐温性能和化学稳定性也比较理想，是超级电容器较常选用的电极材料。为了进一步提高碳纤维电极的储能性能，采用MnO2、RuO2、聚苯胺、聚吡咯等赝电容材料对碳纤维进行表面修饰是目前学界较常采用的一种方法途径。
由于碳纤维表面缺少极性基团，且具有较强的疏水性，因此与MXene之间的结合力较弱，从而会引起转移阻抗的增加。此外由于较弱的结合力使纳米片层容易脱落，会造成电化学性能的衰减。因此，如何有效的使CF与MXene纳米片层相结合，增强CF与MXene片层的吸附，使纳米片层均匀有效的包覆在CF上成为CF@MXene复合电极材料的关键所在。本文针对这一问题，将碳纤维在酸性溶液中进行酸化处理，增加碳纤维表面含氧活性基团，改善纤维表面亲水性，提高与MXene纳米片层的吸附能力，通过碳纤维较高的比表面积使MXene片层均匀的扩散包覆在CF表面。然后利用冷冻干燥的方法将冰晶升华，形成较多的离子传输通道，增加其比表面积，进一步提升复合电极的电化学性能。
二、文章亮点
● 以制备的复合电极为工作电极、Pt片为对电极、饱和Ag/AgCl电极为参比电极，1 mol/L浓度的H2SO4溶液为电解液，对样品在三电极体系下进行电化学测试。
● 详细分析了CF@MXene复合纤维电极在不同处理条件下碳纤维微观物理化学结构的变化情况。
● 采用电化学工作站重点测试了不同处理条件下碳纤维复合电极的电化学性能。
三、图文展示
图1 CF@MXene复合电极制作流程示意图
图2 MXene制备过程中微观形貌变化
图3 样片的形貌：（a）烧蚀CF；（b）酸化1 h；（c）酸化4 h；（d）CM3-3；（e）CM3-3样品EDS元素分布
图5 不同样品的（a）FT-IR图和（b）XRD图
图7 （a）不同超电样品的CV曲线（50 mV/s）；（b）不同电极样品所组装超电的GCD曲线（0.05 A/g）；（c）CM3-3电极组装的超电在不同扫描速率下的CV曲线；（d）CM3-3电极组装的超电在不同电流下的GCD曲线；（e）不同超电样品的比电容对比；（f）不同超电样品的EIS曲线
四、结论
（1）合适的酸化时间能够增强CF电极电化学性能，选择适当的处理条件能够使Ti3C2纳米片层在酸化CF表面形成较为均匀的覆盖，减少纳米片层的堆叠现象，有效的建立离子传输通道，增强电解质离子在电极表面的转移和扩散。
（2）利用MXene表面丰富的活性基团提高电极材料的电化学性能，在0.05 A/g的电流密度下比电容达到了70.9 F/g；采用该电极组装的超电比电容为12.8 F/g，是烧蚀CF超电样品的6倍。
（3）采用一种简单便捷而且能够有效的在CF上附着一定厚度的MXene的方法，采用合适的工艺制备CF@MXene复合电极，而且能够有效的提高复合电极的电化学性能。