无氟MXene/MnO2复合材料的原位制备及其超级电容器性能增强研究

为解决传统MXene制备依赖危险氢氟酸（HF）及材料易堆叠的问题，研究人员开发了一种无氟合成方法，通过NaOH-KMnO4体系原位生成Ti3C2Tx/MnO2复合材料。该材料展现出182.75 F/g的高比电容和85.65%的循环稳定性，DFT模拟证实其异质结结构可提升电子传输效率，为绿色高性能超级电容器设计提供了新思路。

　　

研究背景与意义
能源危机与环境污染推动了对新型储能材料的探索。超级电容器因其高功率密度和长循环寿命成为研究热点，但其性能受限于电极材料的导电性与活性位点数量。MXene（如Ti₃C₂T_x）凭借优异的导电性和亲水性成为理想候选，但传统制备需使用剧毒HF酸，且材料易堆叠导致比表面积下降。MnO₂虽成本低且理论电容高（2573 F/g），但其体积膨胀和低导电性制约应用。如何安全合成高性能MXene基复合材料，成为突破瓶颈的关键。

研究方法与技术
甘肃省重点研发计划支持的研究团队采用高浓度NaOH（27.5 mol/L）与KMnO₄协同刻蚀Ti₃AlC₂，实现无氟MXene的原位制备。通过调控反应时间（12-48小时）和KMnO₄用量（0.06-0.15 g）优化条件，结合XRD、XPS、BET表征材料结构，并利用三电极体系测试电化学性能。密度泛函理论（DFT）模拟分析Ti₃C₂T_x/MnO₂异质结的电子传输机制。

研究结果

1. 制备条件优化：12小时反应与0.09 g KMnO₄时性能最佳，MnO₂纳米颗粒均匀分散于MXene层间，抑制堆叠并提升比表面积。
2. 结构表征：XPS证实表面含氧基团（-OH/-O）取代-F，BET显示比表面积达98.7 m²/g，较传统MXene提升40%。
3. 电化学性能：复合材料在1 A/g电流密度下比电容达182.75 F/g，10,000次循环后容量保持率85.65%，优于单一组分。
4. 机制解析：DFT表明异质结界面电荷重分布，电子迁移能垒降低57%，协同提升导电性与离子扩散速率。

结论与展望
该研究通过环境友好的无氟合成策略，构建了Ti₃C₂T_x/MnO₂分级结构，解决了MXene堆叠与MnO₂导电性差的难题。其创新性体现在：（1）KMnO₄兼具刻蚀剂与氧化剂功能，简化工艺流程；（2）异质结界面工程显著提升储能效率。成果发表于《Journal of Molecular Structure》，为设计安全、高性能储能器件提供了理论指导与技术参考。未来可拓展至其他MXene/金属氧化物体系，推动规模化应用。