《Adv. Fiber Mater.》：具有取向多孔结构的耐压缩、轻质MXene/碳纳米纤维气凝胶用于高效能源存储

Compressible and Lightweight MXene/Carbon Nanofiber Aerogel with “Layer-Strut” Bracing Microscopic Architecture for Efficient Energy Storage

Yongpeng Liu, Dan Wang, Chao Zhang, Yan Zhao, Piming Ma, Weifu Dong, Yunpeng Huang*, Tianxi Liu*

Advanced Fiber Materials, 2022, DOI: 10.1007/s42765-022-00140-z

便携式电子设备的发展推动了柔性、高功率密度能源存储器件的研发与革新。与其他储能系统相比，超级电容器具有充放电速度快、功率密度高、循环寿命长、易于微型化和器件化等优点，因此近年来在可穿戴电子领域引起了人们的广泛关注。二维MXene材料具有类石墨烯的优异导电性、高比表面积和金属氧化物/硫化物的高比容量和能量密度，是构建新型高性能超级电容器电极的理想材料。然而，MXene片层严重的堆叠现象极大地降低了其可用的电化学活性面积，仍需寻找有效的途径来解决其分散问题。

鉴于此，江南大学纳米复合与能源材料研究中心刘天西教授课题组在Advanced Fiber Materials（SCIE收录，即时IF为11.05）上报道了一种具有取向“层-柱”微观多孔结构的Ti₃C₂T_x/碳纳米纤维（CNF）复合气凝胶，并将其应用于超级电容器电极。该工作以电纺制备的短切PAN纤维为交联剂和插层单元，通过协同组装Ti₃C₂T_x片层与PAN纤维构筑了均匀的交联网络，解决了MXene的堆叠问题，最后利用冷冻干燥和碳化手段制备了具有取向多孔结构的Ti₃C₂T_x/CNF复合导电气凝胶。得益于Ti₃C₂T_x/CNF气凝胶内部高度有序的微孔结构，以及MXene薄层之间CNF的穿插和支撑作用，该复合气凝胶显示出优异的耐压缩性能和高回弹性。此外，3D互连导电网络和平行排列的多孔结构为高效的电子传输和离子迁移提供了有利条件，Ti₃C₂T_x/CNF气凝胶在作为柔性超级电容器电极时，在0.5 A g^-1的电流密度下具有268 F g^-1的高比容，组装的对称超级电容器器件在6000 W kg^-1下有着3.43 Wh kg^-1的高能量密度。这项工作为制备高性能MXene基储能电极材料提供了新途径。江南大学化学与材料工程学院2019级硕士生刘永鹏为本文第一作者。

MXene/碳纳米纤维气凝胶制备示意图