铜焦磷酸盐-MXene纳米复合材料的电化学性能及其在超级电容器中的应用研究

《Materials Today Chemistry》：Electrochemical evaluation of copper pyrophosphate-MXene nanocomposite for supercapacitor application

本综述系统探讨了铜焦磷酸盐（CPP）与MXene（Ti3C2Tx）纳米复合材料的合成策略、结构特性及其在超级电容器中的电化学性能。研究通过优化组分比例（70:30）实现了88 mAh/g的高比容量、76.94%的循环稳定性（5000次）及34 Wh/kg的比能量，证实CPP-MXene复合材料在平衡能量密度（Energy Density）、功率密度（Power Density）和循环寿命方面的显著优势，为高性能储能器件开发提供新思路。

　　

Highlight

材料

本研究使用以下试剂：三水合硝酸铜（SRL, 98%）、磷酸二氢铵（SRL, 99%）、尿素（SRL, 99.5%）、钛碳化铝（Sigma-Aldrich, ≥90%, ≤40 μm粒径）、聚偏氟乙烯（PVDF）、N-甲基吡咯烷酮（SRL, 99.55%）、氢氟酸（40%）、乙醇（99.9%）和双蒸水。

Ti₃C₂T_x MXene的合成

Ti₃C₂T_x MXene采用湿化学蚀刻法合成（图1步骤1）。典型流程中，将1 g MAX相前驱体（Ti₃AlC₂）与10 mL氢氟酸（40%）在聚四氟乙烯容器中于35°C持续搅拌24小时。反应后，用蒸馏水离心洗涤至中性pH，最终在60°C真空干燥获得多层MXene。

结果与讨论

CPH、CPP、MXene及其不同比例复合材料（90:10、70:30、50:50）的FESEM图像如图2a–f所示。图2a显示CPH中间体为松散堆积的团聚颗粒；图2b呈现CPP典型的致密片状结构，边缘锐利；图2c为Ti₃C₂T_x MXene的二维堆叠纳米片形貌。复合材料中（图2d–f），CPP片状结构均匀嵌入MXene层间，形成多孔导电网络，有效促进离子传输与电荷存储。

结论

本研究成功通过非原位（ex-situ）合成法制备了CPP-MXene纳米复合材料，并证明其作为超级电容器电极材料的潜力。其中70:30比例的复合材料表现出最高比容量（88 mAh/g），归因于铜焦磷酸盐的氧化还原活性与MXene高导电性的协同效应。该材料在5000次循环后仍保持76.94%的容量保留率和92.16%的库仑效率，且组装的固态非对称超级电容器器件展现出97 F/g的比电容、34 Wh/kg的比能量和800 W/kg的比功率，凸显其在高效储能领域的应用前景。