中國熱科院在高性能超級電容器電極的研制方面取得重要進展_焦點

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近日，中國熱科院加工所天然橡膠先進材料課題組在以天然橡膠粒子為模板構筑超級電容器電極方面取得重要進展。研究結果表明，使用天然橡膠粒子作為犧牲模板構筑的多孔MXene泡沫，在高溫退火去除模板后仍保持了良好的結構完整性，并表現出優異的比電容、速率性能和循環壽命。通過改變復合薄膜中橡膠粒子的含量，可以精準地控制MXene層間孔道的形貌。當橡膠粒子含量達到70%時，制備的電極MXF-70%不僅在2 mV s?1下達到480±9 F g?1的超高比電容，而且在1 V s?1下仍具有222 F g?1，顯示出了優異的速率性能。此外，在50 mV s?1的掃描速率下，經過10000次循環后，電容保留率為97.1%，反映了優異的循環壽命。

降低二維MXene納米片之間的堆疊和聚集是構筑高性能電極的關鍵。由于MXene納米片層間強范德華力的作用，使得MXene薄片傾向于堆積和聚集，這極大程度地減少了MXene的活性比表面，阻礙了電子在層間的傳遞，進而影響其電化學性能。解決這類問題的關鍵通常是對MXene結構的設計以擴大其層間距，其中模板法可以精確地控制孔隙的形狀和尺寸，實現對MXene結構在納米尺度上更精細地調控。常見的模板有PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）微球、PS（聚苯乙烯）微球、硫顆粒等，這類模板均是人造模板，增加了大規模制造高性能電極的成本和環境問題。因此，迫切需要低成本、環保、廣泛可用的模板材料。天然橡膠是一種生物合成的高分子，是由橡膠粒子和非橡膠組分構成的“水包油”型膠體體系，具有來源廣泛、綠色、環保等優勢，以天然橡膠粒子為模板構筑高性能電極的策略不僅有效地克服了MXene納米片堆疊的問題，還可降低成本、減少人造模板因人工合成帶來的環境污染問題。

相關研究成果以題為“Natural Polymer Template for Low-Cost Producing High-Performance Ti3C2Tx MXene Electrodes for Flexible Supercapacitors”發表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。中國熱科院加工所孔娜博士和湖北大學聯合培養碩士呂可為該論文共同第一作者，中國熱科院加工所陶金龍副研究員和張吉振博士為通訊作者。該項研究得到國家自然科學基金項目，海南省重點研發項目和中國熱帶農業科學院“揭榜掛帥”項目資助。