ACSAEM：NiMn-LDH@MXene用于超级电容器

北科纳米可提供NiMn-LDH@MXene（可定制）

【研究背景】

 由于近年来气候变化和化石能源的快速消耗，迫切需要可持续和可再生资源。一些替代的电化学装置，例如燃料电池，太阳能电池，锂离子二次电池，锌离子二次电池和超级电容器已经用于能量转换和存储。在这些设备中，超级电容器（SC）因其较高的功率密度（比电池高10至100倍），更好的循环性能（比电池高100-1000倍），充电和放电速度更快而作为一种有前途的替代品而受到广泛关注。尽管如此，我们仍然需要提高SC的性能，以满足人类对生产和生活的更高要求。

 根据储能机理的不同，SC可以分为两类：双电层电容器（EDLC）和法拉第赝电容器。前者主要通过吸收电极表面的静电荷产生能量，通常电极的材料为纯碳基材料，例如活性炭（AC），石墨烯和碳纳米管。除了这些常规材料外，MXene作为2D材料家族的新候选者，最近在能量存储设备中引起了广泛关注。而纯MXene（Ti3C2）的比电容较低（246 F g-1），从而限制了其进一步的应用在能量存储中。尽管法拉第赝电容器的材料能够进行可逆的氧化还原反应，例如镍金属（金属= Co，Mn，Al，Fe等）层状双氢氧化物（LDH），镍基氧化物和硫化物， LDH由于其出色的阴离子插入，快速的氧化还原反应和高电容量而被公认为具有高潜力的材料。镍锰LDH（NiMn-LDH）具有出色的电化学性能，因为这些镍和锰离子提供了额外的氧化还原反应以及镍和锰氢氧化物之间的协同作用。然而，NiMn-LDH的较差的电荷电导率，较低的稳定性和倍率性能限制了其实际的储能应用。

【成果简介】

最近，朱拉隆功大学Jiaqian Qin教授课题组和燕山大学Xinyu Zhang教授课题组合作在国际知名学术期刊ACS Applied Energy Materials上发表一篇题目为：NiMn-LDH Nanosheets In-situ Anchored on Ti3C2 MXene via Chemical Bonds for Superior Supercapacitors的研究论文，该研究通过化学键将NiMn-LDH纳米片原位固定在MXene片（NiMn-LDH / MXene杂化纳米复合材料）上，并证明了NiMn-LDH纳米片在MXene片上的生长机理。由异质成核过程产生的杂化结构通过MXene和NiMn-LDH之间的化学键表现出优异的界面相互作用。它可以有效地防止NiMn-LDH纳米片和MXene片同时发生团聚和重新堆叠，从而可以确保活性部位充分暴露。并且可以大大提高杂化复合材料的导电性和可逆性。

【图文导读】

方案1. NiMn-LDH / MXene杂化纳米复合材料的示意图

图1.（a）Ti3AlC2，块状Ti3C2MXene和MXene的XRD图 （b）5°至10°的部分XRD图; （c）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene杂化纳米复合材料的XRD图谱；（d）5°至8°和40°至44°的部分XRD图

图2.相应样品的SEM图像和元素衍射图

图3.相应样品的TEM图像

图4.（a）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene杂化纳米复合材料的拉曼光谱；（b）MXene，NiMn-LDH，NiMn-LDH / MXene 2：1和MM NiMn-LDH / MXene 2：1的EPR测试；（c）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene 2：1的XPS图谱；（d）MXene和NiMn-LDH /MXene 2：1的Ti 2p和（e）C 2s XPS图谱；（f）NiMn-LDH和NiMn-LDH / MXene 2：1的O 1s XPS光谱；（g）NiMn-LDH和MXene之间化学键连接的示意图

图5.（a）N2的吸附和解吸等温线；（b）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene 2：1的孔径分布

图6.（a）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene杂化纳米复合材料的CV曲线 （b）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene杂化纳米复合材料的GCD曲线；（c）NiMn-LDH / MXene 2：1在不同扫描速率下的CV曲线；（d）在不同电流密度下NiMn-LDH/ MXene 2：1的GCD曲线；（e）比较不同电流密度下的比电容；（f）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH / MXene杂化纳米复合材料的电容保持率比较

图7.（a）MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene 2：1的奈奎斯特图，以及（b）NiMn-LDH / MXene 2：1在 10000次循环中的循环性能（c）在扫描速度为5.0 mV s-1时NiMn-LDH / MXene 2：1的电容电荷存储贡献；（d）在不同扫描速率下MXene，NiMn-LDH和NiMn-LDH/ MXene 2：1的电容的归一化贡献

图8.（a）NiMn-LDH / MXene 2：1充放电过程中不同阶段的异位XRD图谱；（b）1000次循环后，NiMn-LDH / MXene 2：1的Ni 2p，（c）Mn 2p，（d）O 1s XPS图谱；NiMn-LDH / MXene 2：1循环前后的SEM图像（e）和（f）; NiMn-LDH循环前后的SEM图像（g）和（h）; （i）NiMn-LDH /MXene 2：1中氧化还原反应示意图

图9.（a）AC // NiMn-LDH / MXene 2：1 ASC器件示意图；（b）AC电极和NiMn-LDH /MXene 2：1电极CV曲线；（c）AC// NiMn-LDH / MXene 2：1 ASC设备在不同扫描速率下的CV曲线；（d）所有ASC设备的CV曲线；（e）在电流密度为0.5 A g-1时所有ASC器件的GCD曲线，以及（f）在不同电流密度下所有ASC器件的比电容的比较

图10.（a）AC// NiMn-LDH / MXene 2∶1 ASC器件循环稳定性（b）制成的AC// NiMn-LDH / MXene 2：1 ASC器件的能量密度和功率密度的RAgone图，以及（c）与其他ASC器件的性能比较；（d）三个串联的AC//NiMn-LDH / MXene 2：1 ASC器件点亮的LED的照片

【本文总结】

通过原位结晶在MXene纳米片表面固定了化学分散的NiMn-LDH纳米片的NiMn-LDH / MXene杂化复合材料，并作为SC和ASC的工作电极表现出优异的倍率性能和循环性能。NiMn-LDH / MXene杂化复合材料的这种化学键结构具有许多优点。受益于这些优势，NiMn-LDH / MXene 2：1在0.5 A g-1时显示出1575 F g-1的优异倍率性能，在20 A g-1时显示出更好的电容保持率，超过了原始NiMn-LDH81％ （在0.5 A g-1下为689F g-1）和MXene（在0.5 Ag-1下为192 F g-1）。此外，NiMn-LDH / MXene 2：1的循环稳定性在10000次循环后在5.0 A g-1的电流密度下保持在90.3％。相应的ASC器件（AC//NiMn-LDH / MXene 2：1）进一步显示了超级电容器的优异性能，在0.5 A g-1时的比电容为169.8 F g-1，在2 A g-1下10000次后电化学循环性能保持在91.8％。此外，在0.74 kW kg-1的功率密度下，它具有126 Wh kg-1的高能量密度。该研究为设计用于高效电化学能量转换和存储装置的复合电极提供了一种新方法。

文献链接：

https://doi.org/10.1021/acsaem.0c00863