超级电容器电极材料性能（氨基化MXene与双金属MOF超级电容器电极材料）

超级电容器电极材料性能（氨基化MXene与双金属MOF超级电容器电极材料）​得益于胺化MXene的高导电性和与电解质良好的润湿性，双金属 Ni/Co-MOF可以均匀地原位稳定在胺化的MXene表面，从而保证了Ni/Co-MOF的氧化还原活性中心优异的电子和离子传输，以及良好的界面相容性和大的接触面积。改性的MXene有利于减缓官能团之间的范德华相互作用，从而剥离片状结构。对于快速氧化还原反应，而高氧化还原活性 Ni/Co 在双金属 Ni/Co-MOF中的协同作用为法拉第电容提供了快速氧化还原反应。由于氧化还原活性金属有机框架（MOFs）的不稳定性和较差的电子导电性，氧化还原活性MOFs作为实现快速和高稳定性超级电容器的直接电极是一项重大挑战。在此，高氧化还原活性双金属Ni/Co-MOF通过二维薄层胺化Ti3C2Tx原位稳定，以构建具有优异润湿性的有前景的分级异质结构电极，用于高性能超级电容器。近日，广东工业大学李运勇教授，在国际知名期刊Chemical Engi

广东工业大学李运勇课题组CEJ: 氨基化MXene与双金属MOF超级电容器电极材料

关键词：

薄层异质结层次结构双金属 MOF超级电容器

正文：

近日，广东工业大学李运勇教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Ni/Co-MOF@aminated MXene hierarchical electrodes for high-stability supercapacitors”的研究论文。

该论文将高氧化还原活性的双金属Ni/Co-MOF通过二维薄层胺化Ti3C2Tx原位稳定，以构建具有优异润湿性的有前景的分级异质结构电极。其中，硅烷化有助于减缓MXene官能团之间的范德华相互作用，同时确保了电极材料高的导电性以及电解液良好的润湿性。Ni/Co-MOF@TCT-NH2优异的电化学性能表明，薄层胺化MXene的异质结结构以稳定高氧化还原活性双金属MOF，是MOF直接作为电极以增强能量存储的有效策略之一。该工作主要由博士生岳利国和硕士生陈丽以及课题组其他人员的共同努力下完成。

研究摘要

由于氧化还原活性金属有机框架（MOFs）的不稳定性和较差的电子导电性，氧化还原活性MOFs作为实现快速和高稳定性超级电容器的直接电极是一项重大挑战。在此，高氧化还原活性双金属Ni/Co-MOF通过二维薄层胺化Ti3C2Tx原位稳定，以构建具有优异润湿性的有前景的分级异质结构电极，用于高性能超级电容器。

​得益于胺化MXene的高导电性和与电解质良好的润湿性，双金属 Ni/Co-MOF可以均匀地原位稳定在胺化的MXene表面，从而保证了Ni/Co-MOF的氧化还原活性中心优异的电子和离子传输，以及良好的界面相容性和大的接触面积。改性的MXene有利于减缓官能团之间的范德华相互作用，从而剥离片状结构。对于快速氧化还原反应，而高氧化还原活性 Ni/Co 在双金属 Ni/Co-MOF中的协同作用为法拉第电容提供了快速氧化还原反应。

研究要点和配图

尽管在MAX刻蚀剥离方面已经取得很高的成就，然而得到的手风琴结构因结构中官能团的范德华作用，以-OH、-O-、-F 官能团封端的MXene不仅影响结构稳定性，而且在一定程度上影响电子和电化学性能。鉴于此，以大分子的硅烷偶联剂插层法占据官能团位点，削弱官能团之间的范德华相互作用也是保证形成薄层结构的有效策略。

​同时，薄层MXene表面的修饰，确保了富氧端MXenes可以作为活性位点吸收电解质中的阳离子，可用于进一步的改进和修饰。形貌和微观结构分析证明手风琴式的结构被成功剥离形成薄层稳定片状，氨基化剥离策略提高了电极与电解液的有效接触面积，同时保证了导电网络结构的稳定性，为原位开发奠定了良好的基础。

在二维氨基化Ti3C2Tx的高电导率网络上，原位构建具有高氧化还原活性的双金属Ni/Co-MOF，确保活性物质与电解液充分接触的同时，高导电性和以及良好的润湿性的氨基化MXene保证了氧化还原反应过程中优异的电子和离子传输，实现快速的氧化还原反应以及电荷和物质的交换。

图1. TCT-NH2和Ni/Co-MOF@TCT-NH2的形貌和微观结构。

MOF材料因结构不稳定和较差的导电性，往往是以衍生得到的金属氧化物、硫化物以及磷化物作为电极材料而被开发利用。直接以MOF为电极材料是目前在储能领域的一项重大挑战，通过原位构筑形成异质结结构，保留了原生MOF固有的高比表面积、丰富的孔隙率、可设计的结构和功能等优点。

​MXene作为优异电极材料的载体，对MOF基复合材料的改进或协同作用在超级电容器领域极为罕见，氨基化保持结构稳定性并保留MXene末端富氧表面上的原位聚合位点，为成功原位嫁接MOF奠定可行性基础。物理表征证实了，氨基化作用很好地保护了表面的含氧官能团，增强了抗氧化性能，保证了结构稳定性。结构稳定的MXene确保了其自身优异的导电性，而具有大量富氧封端的二维材料可以作为阳离子的活性位点，从而具有优异的储能性能。

图 2. (A)前体和(B)含有TCT-NH2的产物的XRD图谱和模拟。(C) Ni/Co-MOF@TCT-NH2的N2吸附-解吸等温线（插图为孔径分布）。(D)拉曼光谱。(E-F) Ni/Co-MOF@TCT-NH 2的XPS光谱。 (F1) Ni 2p 峰和(F2) Co 2p 峰的高分辨率光谱。

不同扫速下的CV曲线的氧化还原峰峰面积相等（图5A），这也表明Ni/Co-MOF@TCT-NH2属于法拉第电容行为和电极材料表现出良好的可逆性。Ni/Co-MOF@TCT-NH2在0.5、0.8、1.0、2.0、5.0、10.0和20.0 A·g-1的电流密度下分别表现出1924.0、1841.8、1777.0、1621.8、1396.0、1204.6和1022.4 F·g-1 的比容量，可见其优异的倍率性能。二维双金属Ni/Co-MOF提供了更多的电化学反应中心，为其高赝电容奠定了基础。

​Ni/Co-MOF@TCT-NH2在0.5 A·g-1下表现出超高的比容量（1924 F·g-1）和大电流密度下（10.0 A·g-1）超长的循环稳定性等优异的电化学性能表明薄层胺化MXene的异质结结构以稳定高氧化还原活性双金属 MOF是增强能量存储的有效策略。

图 3. Ni/Co-MOF@TCT-NH2的电化学储能分析。

非对称Ni/Co-MOF@TCT-NH2//AC器件表现出双电层/赝电容行为两种类型的储能行为。ASC器件在0.5 A·g-1电流密度下表现出 351.3 F·g-1的高比电容，即便是在5.0 A·g-1的高电流密度下，电容保持率高达 64.7 % ( 227.3 F·g-1)，这归因于Ni/Co-MOF@TCT-NH2的不完全氧化还原反应和失活。Ni/Co-MOF@TCT-NH2 //AC非对称器件在功率密度为600 W·kg-1的功率密度下表现出最大的能量密度98.1 Wh·kg-1。该器件优异的储能性能可使LED灯发光长达150 s，这些良好的电化学性能表明Ni/Co-MOF@TCT-NH2在储能方面具有潜在的优势。

图 4. Ni/Co-MOF@TCT-NH2//AC非对称电容器的电化学性能。

研究总结

作者成功地制备了具有高氧化还原活性双金属Ni/Co-MOF和薄层胺化Ti3C2Tx的异质结电极材料。氨基化作用削弱了Ti3C2Tx表面官能团之间的范德华相互作用，双金属Ni/Co-MOF有利于均匀稳定其表面。二维双金属Ni/Co-MOF提供更多的氧化还原反应中心，为其高赝电容奠定了基础。分层级Ni/Co-MOF@TCT-NH2的电极材料在三电极体系中具有 1924 F·g-1的高比电容和优异的循环稳定性。

​组装的Ni/Co-MOF@TCT-NH2//AC非对称器件在600 W·kg-1的功率密度下表现出 98.1 Wh·kg-1的最大比能量密度，且经过15 000次循环后库仑效率保持在99.3%，所有这些优异的电化学性能都得益于薄层胺化Ti3C2Tx和双金属Ni/Co-MOF的协同作用。大分子硅烷化插层藕合技术成功解决了Ti3C2Tx后处理中的关键科学问题，为其应用前景提供参考价值。

作者团队简介：

李运勇教授：广东工业大学材料与能源学院 教授/博士生导师，广东省工程技术研究中心主任，广东省青年珠江学者、广东省杰出青年科学基金（省杰青）和珠江科技新星获得者。

​主要围绕新型石墨烯和 MXene 基二维储能与电催化材料的微/纳结构设计、合成机理及在超级电容器、锂/钠离子电池、锂硫电池等电化学储能和电催化领域开展基础和应用研究，在 Adv. Mater. ACS Nano Nano Lett. Nano Energy Appl. Catalysis B-Environ.等国际权威期刊发表学术文章 50余篇，其中IF>10 的20余篇，1 篇被《Nature》作专题报道 单篇最高引用超550 次，申请和授权发明专利近30项。

​目前主持和合作主持10余项国家及省部级等课题研究，包括主持国家自然科学基金项目2项，广东省杰出青年基金项等，担任广东省材料研究学会青年工作委员会的副秘书长、国家自然科学基金通讯评审专家以及广东省科技咨询专家等学术兼职。

个人学术简介详见：https://yzw.gdut.edu.cn/info/1147/2690.htm

课题组介绍

广东工业大学材料与能源学院的材料科学与工程学科为广东省“211工程”重点建设学科、广东省攀峰重点学科，具有材料科学与工程一级博士授权点和博士后科研流动站 为全球ESI前1%的学科。课题组的研究工作主要依托广东省功能软凝聚态物质重点实验室、广东省发改委新能源材料与器件工程实验室、广东省新能源材料与器件粤港合作基地等平台开展工作。

​研究团队长期从事超级电容器、锂硫电池和锂/钠离子电池等电化学储能器件的基础与应用研究，特别是在石墨烯和MXene等二维基储能材料的研究领域取得了丰硕的成果，现已建立了完备的扣式和软包电池实验室装配线，并拥有近 800平方米的材料制备和性能表征实验室，课题组长期与香港城市大学、香港理工大学、澳大利亚伍伦贡大学、美国马里兰大学等单位进行密切的学术交流与合作。

课题组招聘：

课题组长期招收博士后年薪30万元起 奖励

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研究方向：

（1）高性能锂金属电池、钾离子电池研究；

（2）锂硫电池、超级电容器电极材料研究；

（3）电池材料相关理论计算等。

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申请条件

基本条件：原则上，申请人应在近三年内获得博士学位，品学兼优，身心健康，年龄在35周岁以下。申请人进站后需在广东工业大学全职从事博士后研究工作。博士期间发表较高水平SCI论文2篇及以上。

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待遇

工资待遇：基础年薪30万元起 奖励 （科研奖励：在站期间获得国家基金（含青年基金）或中国博士后科学基金特别资助者，学校一次性发奖励5万元。在站期间获得的高水平科研成果（论文、专利、项目等）奖励按学校相关科研奖励办法给予奖励。

国（境）外机构联合培养与交流（带薪）：经本人申请，条件优秀的博士后可以直接申请去境外或国外联合培养。

留校工作政策：学校为优秀博士后提供留校优先政策。详情请见：广东工业大学博士后招聘网站：https://rscbgb.gdut.edu.cn/info/1052/1002.htm

另外，广东省青年人才引进政策：

(1) 广东省“珠江人才计划”海外青年人才引进博士后资助项目。采取“核实认定、不限名额” 的方式，面向全球排名前200（四大排名中任何一个）的高校引进国（境）外博士毕业生来粤从事博士后工作。省财政给予进站博士后每人每年额外30万元生活补贴，资助期限为2年。出站后留在广东省工作的，省财政给予每人40万元住房补贴;

(2) “青年优秀科研人才国际培养计划”。广东省每年资助100名优秀在站博士后科研人员、申请进博士后流动站的应届博士毕业生到国外（境外）高校、科研机构、企业的优势学科领域，合作开展博士后研究工作，每人资助40万元。每年选派200名优秀博士、博士后赴国（境）外开展短期培训和学术交流活动。每年选派100名优秀博士、博士后作为访问学者赴国（境）外访问进修、合作研究，派出时间一般为6至12个月。

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联系方式

招聘长期有效，有意向者请将个人相关信息（含个人简历及研究成果）发至278589181@qq.com，应聘者请将邮件主题命名为：“姓名-应聘XX”，并在邮件中注明可到岗时间。此外，课题组也常年招收硕士和“申请-考核制”博士生，欢迎有材料、化学和高分子等专业背景的报考。诚挚欢迎有志于在相应研究领域中得到锻炼、做出成果的优秀人才加入我们的团队共同奋斗。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138687