《MXene/PPY复合电极材料：超级电容器的新希望》
随着能源消耗的不断攀升和环境污染的日益加剧，开发绿色可再生的储能设备成为当务之急。在众多的储能技术中，超级电容器因其结构简单、体积紧凑和电化学性能优异，成为一种极具潜力的替代方案。而在超级电容器的研究领域，电极材料的特性直接关系到其能量密度，这使得寻找理想的电极材料成为研究的关键。
一、MXene与PPY的结合：创新的复合电极材料
MXene是一种独特的二维导电金属碳化物材料，具有良好的导电性和独特的结构。然而，像许多二维纳米材料一样，MXene容易发生片层间的重新堆叠，这会降低其比表面积，限制电极内离子/电解质的传输，从而影响电化学性能。
导电共轭聚合物的引入被证明是解决这一问题的有效途径。在众多导电聚合物中，聚吡咯（PPY）具有低重量和高效电荷传输等优点。我们的研究通过使用杂多酸作为掺杂剂氧化吡啶来制备PPY，并将其与MXene复合。这种复合方式能够拓宽MXene的层间距，抑制其片层间的重新堆叠，从而允许离子/电子的快速迁移。而且，PPY拥有大量的法拉第氧化还原活性位点，使得离子能够在更短的距离内更容易地移动。
二、MXene/PPY复合电极材料的制备过程
多层Ti₃C₂Tx MXene的制备
首先将2.3g LiF粉末加入到45mL的HCl溶液中，在室温下搅拌30分钟直至完全溶解。
然后在冰浴条件下将2.0g Ti₃AlC₂小心转移到混合溶液中，接着在40℃下搅拌48小时以蚀刻Al层。
最后将所得溶液离心并用去离子水多次洗涤，直至接近中性pH。
MXene/PPY复合材料的合成
PPY溶液的制备：将200μL吡啶放入50mL去离子水中，随后转移到预先制备的0.7M磷钼酸溶液中搅拌5小时。
MXene/PPY复合材料的合成：将100mg Ti₃C₂Tx MXene分散在20mL上述制备的PPY溶液中，得到含有少层Ti₃C₂Tx纳米片的均匀胶体溶液。然后将该胶体溶液滴入PPY溶液的悬浮液中，在0℃条件下以1500rpm进行24小时的剧烈磁力搅拌，得到MXene/PPY复合材料。将沉淀物用去离子水洗涤多次直至pH接近7，然后在60°C的真空烘箱中干燥24小时。
三、MXene/PPY复合电极材料的性能优势
微观结构与相组成
通过扫描电子显微镜（SEM）观察，原始的MAX呈现紧密的层状堆叠，蚀刻后的MXene呈现手风琴状结构，表明Al层成功去除。而MXene/PPY复合材料的微观结构与MXene相比有显著变化，MXene表面有大量的簇状突起，颗粒分布均匀且无过度团聚，同时层间距进一步拓宽，PPY为MXene表面提供了丰富的活性表面位点。
X射线衍射（XRD）测量显示，MAX前驱体有特定的衍射峰，蚀刻后MXene的（002）峰向低角度偏移且变宽，表明层间距增加。在MXene/PPY复合材料中，（002）晶面进一步向低角度偏移，说明PPY吸附在MXene上，增大了MXene片层间的间距。
X射线光电子能谱（XPS）分析表明，PPY完全覆盖在MXene表面，改变了复合材料表面元素的比例和峰密度。傅里叶变换红外（FTIR）光谱进一步证实了MXene/PPY复合材料中PPY的存在。
电化学性能
在1M H₂SO₄中的循环伏安（CV）测试表明，MXene/PPY复合材料在不同扫描速率下的CV曲线形状相似，还原峰比氧化峰强，可能是由于PPY的引入使更多氢离子嵌入复合材料。在扫描速率从5mV s⁻¹到100mV s⁻¹变化时，CV峰形状变化不明显，显示出良好的电化学稳定性。与原始MXene和原始PPY相比，MXene/PPY复合材料在25mV s⁻¹时具有更大的氧化还原峰面积，表明其具有更高的电荷容量。在不同扫描速率下，MXene/PPY复合材料的比电容高于纯MXene和原始PPY，显示出良好的倍率性能。
恒电流充放电（GCD）测量显示，MXene/PPY复合材料具有线性充电和非线性放电过程，放电时间长于充电时间，库仑效率高。电化学阻抗谱（EIS）测试表明，MXene/PPY的内阻最小，为1.35Ω，低于MXene的1.47Ω和原始PPY的1.52Ω，这表明该结构有利于电极间的离子转移，且具有较低的扩散电阻。
通过对CV曲线的半定量研究分析表面控制和扩散控制电荷存储的相对贡献，发现MXene/PPY的电荷存储过程主要由快速电容行为控制，在10mV s⁻¹时，75%的总电荷存储可归因于电容控制过程。
在以MXene/PPY为电极的对称超级电容器（SSCs）中，CV曲线呈矩形且有氧化还原峰，显示出双电层电容和赝电容行为的混合特征。GCD曲线在不同电流密度下保持相对一致的三角形形状，在1.5A g⁻¹时比电容为73.35F g⁻¹，在8.0A g⁻¹时仍保持48.8F g⁻¹。经过4000次连续充放电循环后，仍能保持75%以上的比电容，对称超级电容器表现出优异的阻抗特性。在拉贡（Ragone）图中，在功率密度为750W kg⁻¹时，能量密度达到8.77Wh kg⁻¹，当功率密度大幅提高到3000W kg⁻¹时，能量密度仍能保持5.5Wh kg⁻¹。
四、MXene/PPY复合电极材料的应用前景
我们成功合成的这种新型MXene/PPY复合材料，通过将高导电性的PPY作为插层剂解决了MXene纳米片的自堆叠问题，增加了层间距和离子接触面积。MXene与PPY之间的协同作用提高了复合材料的导电性和能量密度。所制造的基于MXene/PPY的对称超级电容器在能量密度和功率密度方面表现出色，并且具有突出的电化学稳定性，在经过4000次连续充放电后仍能保持75%的容量保持率。这一研究成果为开发用于对称超级电容器的高效MXene/PPY材料提供了一种新的途径，在工业能源应用、消费电子、电动汽车行业和太阳能发电系统等众多领域具有巨大的实际应用潜力。
