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MXene/Hemin复合材料的制备及其超级电容器性能研究

摘要

MXene具有良好的亲水表面和高化学稳定性，在储能领域表现出巨大的潜力，其可调节的中间层间距以及高电导率和出色的循环性能、超高倍率性能[12]，被广泛应用于超级电容器和电池材料[10]。本文以DMF为溶剂，通过

分散MXene，在MXene层间插入Hemin，制备了MXene/Hemin复合材料，使用SEM测试手段对材料的结构形貌进行表征，并在三电极体系中测试了不同配比、不同反应时间、不同反应温度条件对其电化学性能的影响。结果表明：在SEM形貌图中，不规则块状的Hemin附着在手风琴状MXene的表层、内部；以1MKOH作为电解液，在电压区间为-0.9~-0.3V，电流密度为1A/g条件下工作，测得MXene/Hemin复合材料比电容为206.67F/g，是单一Hemin的9.54倍，单一MXene的2.58倍，复合材料的电化学性能显著提高，并表现出双电层电容特性。

关键词：MXene；Hemin；超级电容器；复合材料

MXene/Hemin复合材料的制备及其超级电容器性能研究

引言

随着科技的进步、社会的发展，当今的科技水平发展之快可谓是日新月异。高效储能设备在人类生活中的需求日益渐增，是人类生活中必不可少的一部分，而严重的环境污染、能源紧缺等问题的陆续出现，限制了人类的发展。人尽皆知，潮汐能、太阳能、风能等可再生能源可以有效解决能源紧缺的现状，但这些可再生能源存在许多影响因素，如气候、地域等。为了人类的可持续发展，人们迫切的需要新能源技术的出现。超级电容器是高性能储能设备之一，它拥有高功率密度，而提高电极材料的性能是进一步研究超级电容器的重要组成。

1.1超级电容器概述

超级电容器是一种新型储能装置，介于传统电容器和充放电式锂离子电池之间，它不仅上具有传统的电容器迅速充放电特性,还具有锂离子电池储能特性。由电极材料、隔膜、电解液组成，具有功率密度高，循环寿命长，工作温度范围宽，免维护，绿色环保、测试方便等优点[20-23]。被广泛应用于电动力型交通工具、航空航天、机械工业、电力系统等方面。1.1.1超级电容器分类

根据不同的作用原理，超级电容器可分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器两类。

双电层型超级电容器的工作原理是：利用电极与电解质中带相反电荷的离子，在充放电过程中静电吸引相互作用，实现能量储存和释放[2]。充放电时，正离子的物理吸附和分离会发生在正极上。由于在充放电过程中，没有发生化学反应，所以其充放电速度非常快，低温特性也很好。它具备周期成本低、寿命长、可逆性好、充放电率高、输出功率和比功率高等优点。但相比于赝电容型电容器，双电层型电容器具有容量低，能量密度低等劣势。

赝电容型超级电容器又被称为法拉第准电容，它是在电极表面或体相的二维或准二维空间，电活性物质在欠电位下沉淀堆积，发生高度可逆的化学吸附、解吸或氧化还原反应，产生与电极充电电位相关的电容，在整个过程中电极中的活性材料不会发生相变。赝电容型电容器能量密度高、容量高，在同种条件下，电容量可达双电层型超级电容器的10~100倍。但由于电极反应过程中牵扯到化学反应，存在不可逆性，所以循环性差、稳定性差。

通过结合这两种超级电容器的特点，混合电容器应际而生，成为现在储能领域的研究热点。混合电容器电极由不同材料组成，储存电荷的方式不同，两个电极互补，从而达到电容器性能最优化[2]。它具有双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器的综合优点，有较好的循环性、稳定性和较大的功率密度。

图1-1混合电容器的结构及储能机理图[1]

1.2MXene简介

石墨烯的出现引起了人们的热切关注，二维材料凭着良好的性能特征成为研究对象和关注热点。2011年，

Naguib等人通过用HF溶液倾浸Ti3AlC2，刻蚀掉Al层，制备了2D层状结构的Ti3C2Tx[3,31]。MXene分子式是

Mn+1XnTx，“M”一般指过渡金属元素，“X”是C或N，Tx指的是表面末端。MXene的合成方法主要有以下三种：刻蚀法、化学转化法、自下而上构造法。MXene材料具有良好的亲水性、柔韧性、导电性，结构[3]等特性，为其在电极材料的发展奠定了基础。

1.2.1MXene在超级电容器中的应用

由于MXene材料在超级电容器中具有能量密度高、电容高等优良特征，在电化学领域得到了广泛的研究，并取得了一定的成就[29-30]。

通过在MXene层状结构中插入其他材料制备成复合材料，复合物的层间距有效扩大，电解质离子传输速率显著提高[4]，致使复合材料的性能优于MXen