发展快速充放电储能技术对日益增长的能源需求至关重要。充放电电池作为一种主要的储能装置，在制备方法和器件设计方面取得了相当大的进展，但充电−放电速率和循环使用寿命在实际应用中仍存在不足。相比之下，超级电容器因其快速的充放电速率、高功率密度和优异的循环稳定性而受到了广泛关注。二维新兴材料MXene由于其独特的高电导率（15100 S cm-1），丰富的活性位点以及超高体积电容（1500 cm-3），使其在电化学能量的存储和转换方面有着特殊的吸引力。然而，由于MXene纳米片层间强范德华力的作用，使得MXene薄片倾向于堆积和聚集，这极大程度地减少了MXene的活性比表面，阻碍了电子在层间的传递，进而影响其电化学性能。
图1. TOC图片及多孔MXene泡沫的电化学性能表征图
解决这类问题的关键通常是对MXene结构的设计以扩大其层间距，其中模板法由于可以精确地控制孔隙的形状和尺寸，能够实现对MXene结构在纳米尺度上更精细地调控。常见的模板有PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）微球、PS（聚苯乙烯）微球、硫颗粒等，这类模板均是人造模板，增加了大规模制造高性能电极的成本和环境问题。因此，制备3D多孔MXene泡沫迫切需要低成本、环保、广泛可用的模板材料。天然橡胶粒子正是“最佳选择”，中国热科院加工所天然橡胶先进材料课题组使用天然橡胶粒子作为牺牲模板构筑了多孔MXene泡沫，在高温退火去除模板后仍保持了良好的结构完整性。通过改变复合薄膜中橡胶粒子的含量，可以精准地控制MXene层间孔道的形貌。当橡胶粒子含量达到70%时，制备的电极MXF-70%不仅在2 mV s−1下达到480±9 F g−1的超高比电容，而且在1 V s−1下仍具有222 F g−1，显示出了优异的速率性能。此外，在50 mV s−1的扫描速率下，经过10000次循环后，电容保留率为97.1%，反映了优异的循环寿命。这种方法不仅有效地克服了MXene纳米片堆叠的问题，还降低了成本和由其它微纳尺寸模板造成的环境污染问题。
图2.以天然橡胶粒子为模板制备多孔MXene泡沫的流程示意图
相关研究成果以题为“Natural Polymer Template for Low-Cost Producing High-Performance Ti3C2Tx MXene Electrodes for Flexible Supercapacitors”发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。中国热科院加工所孔娜博士和湖北大学联合培养硕士吕可为该论文共同第一作者，中国热科院加工所陶金龙副研究员和张吉振博士为通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金项目，海南省重点研发项目和中国热带农业科学院“揭榜挂帅”项目资助。
图3. 不同天然橡胶粒子负载量下多孔MXene泡沫的SEM横截面图像
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18559
发展快速充放电储能技术对日益增长的能源需求至关重要。充放电电池作为一种主要的储能装置，在制备方法和器件设计方面取得了相当大的进展，但充电−放电速率和循环使用寿命在实际应用中仍存在不足。相比之下，超级电容器因其快速的充放电速率、高功率密度和优异的循环稳定性而受到了广泛关注。二维新兴材料MXene由于其独特的高电导率（15100 S cm-1），丰富的活性位点以及超高体积电容（1500 cm-3），使其在电化学能量的存储和转换方面有着特殊的吸引力。然而，由于MXene纳米片层间强范德华力的作用，使得MXene薄片倾向于堆积和聚集，这极大程度地减少了MXene的活性比表面，阻碍了电子在层间的传递，进而影响其电化学性能。
图1. TOC图片及多孔MXene泡沫的电化学性能表征图
解决这类问题的关键通常是对MXene结构的设计以扩大其层间距，其中模板法由于可以精确地控制孔隙的形状和尺寸，能够实现对MXene结构在纳米尺度上更精细地调控。常见的模板有PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）微球、PS（聚苯乙烯）微球、硫颗粒等，这类模板均是人造模板，增加了大规模制造高性能电极的成本和环境问题。因此，制备3D多孔MXene泡沫迫切需要低成本、环保、广泛可用的模板材料。天然橡胶粒子正是“最佳选择”，中国热科院加工所天然橡胶先进材料课题组使用天然橡胶粒子作为牺牲模板构筑了多孔MXene泡沫，在高温退火去除模板后仍保持了良好的结构完整性。通过改变复合薄膜中橡胶粒子的含量，可以精准地控制MXene层间孔道的形貌。当橡胶粒子含量达到70%时，制备的电极MXF-70%不仅在2 mV s−1下达到480±9 F g−1的超高比电容，而且在1 V s−1下仍具有222 F g−1，显示出了优异的速率性能。此外，在50 mV s−1的扫描速率下，经过10000次循环后，电容保留率为97.1%，反映了优异的循环寿命。这种方法不仅有效地克服了MXene纳米片堆叠的问题，还降低了成本和由其它微纳尺寸模板造成的环境污染问题。
图2.以天然橡胶粒子为模板制备多孔MXene泡沫的流程示意图
相关研究成果以题为“Natural Polymer Template for Low-Cost Producing High-Performance Ti3C2Tx MXene Electrodes for Flexible Supercapacitors”发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。中国热科院加工所孔娜博士和湖北大学联合培养硕士吕可为该论文共同第一作者，中国热科院加工所陶金龙副研究员和张吉振博士为通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金项目，海南省重点研发项目和中国热带农业科学院“揭榜挂帅”项目资助。
图3. 不同天然橡胶粒子负载量下多孔MXene泡沫的SEM横截面图像
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18559
