MXene电极的双电子层结构与表面官能团

研究摘要

MXenes较大的比表面积使其成为一类非常有潜力的双电层电容器的电极材料，可以实现超过300 F/g的比电容。最近的研究进展中，合成方法的改进已经成功实现表面官能团的减小及其化学调控与设计，但表面官能团对于电容性能的影响还不够清晰。近日，日本京都大学Atsuo Yamada研究团队在《Chemistry of Materials》发表最新研究成果，利用密度泛函理论计算系统地探究了Ti3C2Tx MXene电极的原子级双电层结构与卤素官能团的关系。研究发现，卤素官能团中卤素原子的原子数越大（I＞ Br ＞Cl ＞F），对双电层电容的贡献也越大。增大的电容源于官能团原子更小的价电子数，更低的电负性可以促进电极表面电荷的静电积累过程，这种趋势为具有更大电容的MXene设计提供了理论基础。

图文导读

图1. Ti3C2T2 （T=F, Cl, Br 与I）的计算模型。

图2. Ti3C2T2 （T=F, Cl, Br 与I）电极的双电层响应。

图3. Ti3C2T2 （T=F, Cl, Br 与I）MXene电极/电解液界面的电学性质。

图4. Ti3C2T2 （T=F, Cl, Br 与I）MXene电极与电容的关系图示。

总结

    对于Ti3C2Tx MXene电极的双电层电容（EDL）与卤素官能团的相关性研究是通过ESM-RISM计算完成的。计算得到的电容值随卤素原子的原子数增加而增加。增加的电容主要由于电极/电解液界面处过量的电子偏置分布，从而减小了EDL厚度。电极中的电子通过静电相互作用被吸引到电解质一侧，与吸附在电极表面的K离子相互作用。由于卤素原子具有较小的电负性，更小的负电荷促进电极电子通过静电感应进入到EDL区域。值得注意的是，可以通过控制MXene中的过渡金属与表面官能团之间化学键的本质对表面电荷进行调控。比如，将更低电负性的表面官能团元素与更高电负性的过渡金属元素（如V与Cr）相结合，可能可以进一步降低表面负电荷，导致EDL电容的进一步提高。该工作揭示了MXene电极的电容与卤素官能团之间的关系，为未来的研究提供了理论基础。

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