超級電容器作爲最常用的電化學儲能器件之一，在滿足能源存儲需求方面發揮着越來越重要的作用。由于其具有快速充放電能力、優越的功率密度和長循環穩定，因此适宜于高速率的電荷存儲和傳輸。與電池相比，超級電容器的能量密度相對較低，嚴重限制了其廣泛應用，這促使我們在保持其優異的功率密度和長循環性能的同時，需要提高其能量密度。
超級電容器的能量密度在電壓恒定的情況下取決于電容，因此提高能量密度的一個重要方法是增加電容。電極材料是超級電容器的重要組成部分，對超級電容器的電容等電化學性能有着至關重要的影響。常見的電極材料包括碳基材料、過渡金屬氧化物（TMOs）和導電聚合物（CPs）。前人的研究表明，碳基材料的質量密度低，TMOs 的導電性差，CPs 的結構不穩定，阻礙了它們獲得優越的電化學性能。
Ti3C2Tx MXene，由于其層狀結構、高電導率、豐富的活性基團和表面親水性等特性，被認爲是目前最有前途的超級電容器電極材料之一。盡管有這些優點，Ti3C2Tx 依然面臨着二維片層團聚，表面活性官能團有限，容易被氧化等問題。
在 MXene 層間增加填充物，構建多孔電極結構和制備垂直排列的 MXene 結構可以緩解 MXene 的團聚等問題；通過 KOH 堿處理和親核還原劑（比如正丁基锂）修飾 MXene 的表面官能團，可以去除有害基團（如 -F），增加活性官能團（如 =O）；向 MXene 膠體懸浮液中添加無機聚陰離子鹽（例如，聚磷酸鹽、聚硼酸鹽和聚矽酸鹽）可以減緩 MXene 的氧化過程。
除了改進電極外，還可以通過在電解質中添加氧化還原活性添加劑，提供額外的可逆氧化還原反應，從而進一步提高電荷存儲能力。在之前的報道中，氧化還原活性電解質主要集中在碳基超級電容器上，其中多孔碳電極具有較大的表面積和豐富的微孔結構，可以增強氧化還原物質的吸附。
目前，關于 MXene 基超級電容器氧化還原活性電解質的研究報道較少。有些報道雖然采用了 KI、LiBr 和 HQ 等氧化還原添加劑，但它們主要針對正極，并沒有充分利用 MXene 負極的特性，因此超級電容器器件的能量密度相對較低。其次，對電化學反應機理和氧化還原活性電解質的選取原則尚未詳細研究報道。一般來說，由于 Ti3C2Tx MXene 具有相對負的電化學電位窗口，因此更适合作爲陽極（負極）。據我們所知，氧化還原電位落在 Ti3C2Tx MXene 狹窄電位範圍内的氧化還原添加劑的電荷存儲行爲尚未得到報道。
氧化還原電解質策略設計及其電極工程優化輔助
中山大學衣芳教授課題組發展了一種電極優化促進的氧化還原電解質策略，用于獲得高性能 Ti3C2Tx MXene 基超級電容器。根據 Ti3C2Tx 電極材料特性，首次利用氧化還原電位在 Ti3C2Tx 的穩定電勢窗口内引入氧化還原添加劑來提高 Ti3C2Tx 基超級電容器電極及器件的電化學性能。
論文截圖
在所開發的策略中，在 H2SO4 支撐電解質中篩選出 CuSO4 和 VOSO4 作爲混合氧化還原添加劑，并通過系統的實驗表征和理論驗證證明，銅和釩離子可以與 MXene 表面的 =O 官能團結合，并分别以 Cu2+/Cu+ 和 V3+/V2+ 的形式進行法拉第反應。通過優化設計得到的 MXene 電極，其氧化還原活性位點的增加、層間距離的增大、比表面積的增大和孔體積的增大，顯著地促進了所設計的氧化還原電解質策略。
氧化還原添加劑與 Ti3C2Tx MXene 作用機制
據作者所知，優化後的 MXene 電極在所設計的氧化還原電解質中展現的電容（788 F g − 1，2 mV s − 1）是目前報道的 MXene 和 MXene/ 碳基超級電容器電極質量比電容最高值，同時還具有良好的倍率性能和相比于純 MXene 電極更高的循環穩定性。所制備的超級電容器在 376.0 W kg − 1 的功率密度下獲得高達 80.9 Wh kg − 1 的能量密度，并且具有高的循環穩定性以及明顯抑制的自放電性能。所提出的氧化還原策略也有效地提高了凝膠電解質體系 MXene 基柔性超級電容器的電化學性能。此外還發現基于聚乙烯醇（PVA）氧化還原凝膠電解質的超級電容器的電化學性能總體上優于基于明膠（gelatin）和聚丙烯酰胺（PAM）氧化還原凝膠電解質的超級電容器。
電極工程優化後的 MXene 電極在設計的氧化還原電解質中的電化學性能
相關成果以 "Designed Redox-Electrolyte Strategy Boosted with Electrode Engineering for High-Performance Ti3C2Tx MXene-Based Supercapacitors" 爲題發表在 Wiley 旗艦刊 Advanced Energy Materials 上，并被遴選爲Editor ’ s Choice 論文。該論文的通訊作者是衣芳教授，第一作者是馬睿。該研究得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等項目資助支持。
參考文獻
https://doi.org/10.1002/aenm.202301219
作者：馬睿 衣芳
