活性炭布上MXene沉积方法的评估以增强电化学性能

《Nano Select》：Evaluation of MXene Deposition Methods on Activated Carbon Cloth for Enhanced Electrochemical Performance

　　

基于MXene的电极因其独特的本征二维层状结构、优异的导电性、大比表面积和可调表面而在不同材料中获得了显著关注，使其在先进电化学应用中极具前景。然而，MXene电极的性能强烈依赖于所采用的沉积技术，这些技术影响附着力、均匀性和电化学性能。尽管已有若干关于MXene基材料用于能源应用的研究，但文献中仍缺乏关于优化电极性能的沉积技术的全面比较分析。本研究系统比较了两种常用的MXene沉积技术，即电泳沉积（EPD）和滴涂法，用于将MXene有效结合到活性炭布上。形貌、结构和电化学分析表明，滴涂法产生了均匀且附着的材料层，与EPD（33.32 Ω）相比，表现出较低的内阻（1.79 Ω）和优异的电化学活性。MXene涂覆的电极在相同材料负载下增强了离子传输和质子可及性，展现出改进的电容。此外，计时电流分析强调，滴涂MXene电极在长时间运行中保持超过85%的电流保持率，证实了其优越的操作稳定性。这些发现突显了沉积方法改进在电极设计中的关键作用，并为高性能MXene基电极提供了实用途径，使其适用于多种应用。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
随着可持续能源解决方案需求的增长和污染问题的加剧，高效能量存储与转换装置的开发成为研究热点。先进电化学系统（如柔性储能器件）因其高功率输出、快速充放电能力、长使用寿命和稳定性能而备受关注，但这些系统的性能高度依赖于电极材料。二维材料（2D）因其大比表面积和优异物化性质在能量存储中脱颖而出，其中MXene（一类二维过渡金属碳化物或氮化物，通式M_n+1X_nT_x，M为早期过渡金属，X为碳或氮，T_x为表面端基，n=1-4）凭借超高电导率（可达24,000 S cm^-1）、高比表面积（>100 m² g^-1）和丰富氧化还原活性表面端基（理论比电容1116 F g^-1）成为理想电极材料。然而，MXene电极的性能强烈依赖于其沉积到导电基底（如碳布）上的方法，不同沉积技术对附着力、均匀性和电化学性能的影响尚未得到系统比较。现有研究多聚焦于单一沉积方法或将其作为复合材料制备的一部分，缺乏对沉积方法本身影响的直接对比评估。因此，本研究旨在系统比较电泳沉积（EPD）和滴涂法两种常用技术，在相同基底条件（活性炭布，ACC）下评估MXene沉积行为、附着力和电化学性能，以确定最优策略。

**研究内容与结论**
研究人员通过MILD法合成Ti₃C₂T_x MXene纳米片，将其沉积到预处理的活性炭布（ACC）上，分别采用EPD（使用不同分散剂：MXene alone、H₂SO₄、HCl、NMP+ACN）和滴涂法。通过FESEM、XRD、FTIR表征形貌和结构，通过CV、EIS、CA评估电化学性能。结果表明，滴涂法实现了均匀、致密的MXene涂层，内阻低至1.79 Ω，电荷转移电阻0.0786 Ω，电导率1.9×10^-4 S cm^-1，且长时间运行电流保持率>85%；而EPD方法（尤其NMP+ACN）仅产生稀疏涂层，内阻高达33.32 Ω，电流保持率约63%。滴涂法显著增强了电容性能和稳定性。该研究发表在《Nano Select》。

**关键技术方法**（不超过250字）
主要技术方法包括：①MXene合成：采用MILD法（使用LiF+HCl刻蚀Ti₃AlC₂ MAX相，再通过超声剥离获得少层Ti₃C₂T_x纳米片）；②碳布预处理：将碳布用H₂SO₄/HNO₃混合酸处理，再在马弗炉中500°C活化得到ACC；③电极制备：通过EPD（以ACC为工作电极，钛板为对电极，Ag/AgCl为参比电极，恒压1.0 V沉积300 s）和滴涂法（将MXene分散液直接滴涂至ACC表面并干燥）两种方法沉积MXene；④材料表征：使用FESEM观察形貌，XRD分析晶体结构，FTIR鉴定表面官能团；⑤电化学测试：CV（电位范围-0.5至0 V，扫速5-100 mV s^-1）、EIS（频率0.01 Hz-100 kHz，振幅5 mV）和CA评估稳定性。所有试剂来源包括Sigma–Aldrich、Merck，MAX相来自Laizhou Kai Kai Ceramics Materials Co., Ltd.（中国）。

**研究结果**

**3.1 形貌与结构**
- 通过FESEM观察：滴涂法使MXene完全覆盖ACC纤维，形成厚实、堆叠的均匀层，附着力强；而EPD（使用NMP+ACN）仅部分沉积，其他分散剂（MXene alone、H₂SO₄、HCl）几乎无沉积。水接触角测试显示，滴涂ACC MXene接触角为0°，显著低于ACC对照（141.1°）和EPD（113.1°），表明亲水性增强。
- EDX元素分析：滴涂电极Ti含量高达54.5%，而EPD电极仅0.4%，证实滴涂法沉积更有效。XRD谱图：滴涂样品出现MXene特征峰（2θ≈9°），EPD样品无新峰，表明滴涂法成功保留MXene晶体结构。FTIR分析：滴涂样品显示Ti-O振动峰（560 cm^-1）和O-H拉伸峰（3400 cm^-1），EPD样品与ACC对照相似，无MXene特征。

**3.2 电化学性能**
- CV测试：滴涂电极在-0.5至0 V范围内呈现明显氧化还原峰，表明可逆赝电容行为，且扫速增大时峰形稳定，展现出优异电化学可逆性；EPD电极（NMP+ACN）仅显示微弱电容响应，其他EPD条件几无变化。滴涂电极的CV面积远大于EPD，说明高比电容。
- EIS分析：Nyquist图中滴涂电极具有极小的半圆直径（R_ct低）和低频区近垂直线，表明电荷转移电阻低、离子扩散快。拟合电路参数显示，滴涂电极的电荷转移电阻R_p=0.0786 Ω，远低于EPD电极的31.3 Ω；总内阻R_int=1.78 Ω（EPD为33.32 Ω），电导率1.9×10^-4 S cm^-1（EPD为1.0×10^-5 S cm^-1）。
- CA分析：滴涂电极在长时间运行后电流保持率约85%，而EPD电极仅63%，裸ACC仅17%，表明滴涂法显著提升操作稳定性，优于文献中多种MXene基电极（如CC/MXPACN的91%）。

**总结与讨论**
研究结论部分指出，MXene已成功通过EPD和滴涂法沉积到ACC上。FESEM、XRD和FTIR分析确认，滴涂法实现了均匀、牢固的涂层，具有明显的MXene特征；而EPD（尤其NMP+ACN）也产生部分涂层，但附着力不如滴涂法。相比之下，EPD使用MXene alone、H₂SO₄或HCl导致沉积极少或稀疏。CV和EIS评估表明，滴涂MXene电极相比ACC对照和EPD样品展现出显著增强的比电容、高倍率性能和优越的循环稳定性。此外，滴涂电极表现出最低的电荷转移电阻和最大电容，归因于均匀涂层和强附着力提供了高效的离子和电子传输路径。MXene在ACC上的集成显著降低了内阻。计时电流分析揭示，滴涂MXene电极在长时间运行中保持超过85%的初始电流，证实了其优于EPD电极的长期电化学稳定性。这些发现突显了滴涂法作为制备高性能MXene基电极的高效方法，相比电泳沉积（EPD）法在先进电化学应用（如CO₂转化系统）中更具前景。