開發具有超穩定離子納米通道和低曲折度的柔性 MXene 基電極對于長期可穿戴電子設備而言仍然是一項艱巨的挑戰。本文介紹了一種氫鍵增強多孔 MXene (HC-HMXene) 電極，具有最大離子可及性、優化的離子傳輸路徑和超穩定離子納米通道。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滲透效率并縮短了電極的離子傳輸路徑（導致曲折度降低了 78.7 倍）。因此，與具有相同 MXene 質量負載的緊密堆疊薄膜電極相比，構建的 HC-HMXene 電極的擴散系數高 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鎖劑，通過氫鍵作用將納米片連接在一起，顯著提高了離子通道的穩定性。因此，HC-HMXene薄膜在水介質中有效抵抗溶脹行為并保持良好的結構穩定性。此外，以HC-HMXene為基礎的鋅離子微電容器為動力的柔性傳感集成系統在實時監測人體生理特征方面表現出良好的應用前景。
圖 1. a HC-HMXene 膜相對于 MXene 膜的具體優勢示意圖。b MXene 與 ANF 之間氫鍵形成的原子結構和差異電荷示意圖。c 浸泡過程中 MXene 和 HC-HMXene 浸沒的微觀受力示意圖。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 復合膜和組裝 ZIMC 所涉及過程的示意圖。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 基材料的光學圖像和廷德爾效應。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定性比較。將濕樣品浸泡在去離子水中 0.5 小時后進行測量。o 浸泡前后 MXene 和 HC-HMXene 薄膜穩定性的數字圖像。
圖 4. a 拉伸應力-應變曲線，b 不同 MXene 基薄膜的拉伸強度和 c 韌性。d ZIMC 在充電過程中的工作機制以及放電過程中 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擴散系數的計算。i Ä 計算示意圖。j 我們的 ZIMC 的 Ragone 圖與文獻中報道的其他器件的 Ragone 圖進行了比較。
圖 5. a-b 單個、并聯和串聯 ZIMC 的 CV 和 GCD 曲線；插圖顯示了帶有 ZIMC 的并聯和串聯電路的照片。c 不同彎曲角度下的 ZIMC 的 GCD 和 d CV 曲線。e 低自放電機制原理的示意圖。f 使用 GCD 和開路電壓測試獲得的 24 小時自放電電阻。g 電路和 h 集成傳感系統的示意圖。傳感裝置的輸出電流信號對應于 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。
相關科研成果由安徽大學Yang Yue, Siliang Wang, Li Wen等于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
