王晓辉ACS Nano：表面官能团及层间水决定了Ti3C2Tx 迈科烯(MXene) 的电化学容量

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随着能源需求的快速增长，全球环境问题日益突出，迫切需要开发清洁能源与更先进的储能系统。电化学电容器（又称超级电容器）具有功率密度高、倍率性能优异以及循环寿命长的特点，使其成为一种可实现高效储能的理想器件。与双电层电容器相比，赝电容器（借助于快速、可逆的表面氧化还原反应）具有更高的能量密度引起了极大的关注。目前，研究最广泛的赝电容器材料是RuO2、MnO2、Nb2O5、NiO等氧化物，但研究发现大部分赝电容氧化物的电导率低，导致电容器的倍率性能不佳。

迈科烯（MXene）是一种新型过渡金属碳/氮化物二维晶体，具有和石墨烯类似的片层结构，化学式为Mn + 1XnTx，其中 n = 1、2、3，M为前过渡金属元素，X为碳或氮元素，T为表面携带的–OH、–O或–F等官能团。以Ti3C2Tx为代表的迈科烯具有优异的力学、电学、磁学等性能，特别在电化学电容器方面表现尤为突出，其体积比容量已超过公认的具有超高电容量的RuO2，并且倍率性能优良。Ti3C2Tx是一种赝电容材料，但其本身的结构特点与电化学电容性能的相关性尚不清楚。

近日，中科院金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室王晓辉课题组在ACS Nano上发表题为“Surface Functional Groups and Interlayer Water Determine the Electrochemical Capacitance of Ti3C2Tx MXene”的研究论文。文中报道了通过低浓度的HF溶液刻蚀Ti3AlC2而制备的Ti3C2Tx（Ti3C2Tx–6M）电极具有更高的电化学容量。他们利用自行搭建的原位电化学拉曼表征平台，结合X射线光电子谱以及1H低场核磁共振谱等多种分析手段，阐明了参与氧化还原反应的–O官能团比例和Ti3C2Tx片层间具有高自由度的水分子含量与电容量成正相关性，即–O官能团比例越高，自由水含量越高，迈科烯的电化学电容量就越高。这两个因素正是Ti3C2Tx-6M电极具有优越电化学性能的关键。