DOI：10.1021/acsenergylett.4c00253

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具有安全、低成本优势的水系微型超级电容器（AMSCs）有望成为微型储能设备的首选。然而，AMSCs目前的问题是其极低的面积能量密度和功率密度，这是由金属离子之间的强相互作用以及厚电极的堆叠特性引起的。在此，华中科技大学高义华教授课题组的科研人员（时俊杰，高义华等）基于羟基化Ti₃C₂ MXene(h-Ti₃C₂ MXene)的NH₄⁺/H⁺共吸附定制机制开发了AMSCs。这种共吸附机制增强了电极材料的吸附动力学行为。超高负载h-Ti₃C₂ MXene具有地毯状和更多的含氧官能团，进一步改善了厚电极的低性能。因此，所报道的AMSCs表现出令人印象深刻的功率密度(在 110.91 μWh cm^-2下16.50 mW cm^-2)、能量密度(在0.825 mW cm^-2下394.59 μWh cm^-2)和循环寿命(20000次GCD循环后保留率为92.45%)。这项工作提供了一个全新的定制NH₄⁺/H⁺共吸附机制，用于构建先进的AMSCs。

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图1：AMSCs的制造工艺、结构和工作原理(a) AMSCs的制备工艺及 (b) AMSCs的结构和工作原理，分别是常规的NH₄⁺吸附机制和定制的NH₄⁺/H⁺共吸附机制。

图2：h-Ti₃C₂ MXene的合成、表征和电化学性能(a) Ti₃C₂T_x MXene和h-Ti₃C₂ MXene的XRD图谱；(b) h-Ti₃C₂ MXene的SEM图像；(c) h-Ti₃C₂ MXene的FTIR光谱；(d) 1.0 mV s^-1时的CV曲线；(e) 1.0 A g^-1时的GCD曲线；(f) 倍率性能；(g) 1.0 ~ 50.0 mV s^-1时的CV曲线；(h) 1.0 ~ 20.0 A g^-1时的GCD曲线；(i) Nyquist图。

图3：厚Ti₃C₂T_x MXene和h-Ti₃C₂ MXene薄膜的表征和电化学性能(a) 具有不同面质量载荷的h-Ti₃C₂ MXene薄膜的横截面SEM图像。(b) Ti₃C₂T_x MXene和h-Ti₃C₂ MXene薄膜在各种负载和电流密度下的比电容比较。(c) 面质量载荷为16.0 mg cm^–²的h-Ti₃C₂ MXene薄膜在16.0 mA cm^-2下的循环寿命。

图4：定制NH₄⁺/H⁺共吸附机制的AMSCs的表征、电化学性能和实用性；插齿状电极的 (a) 照片和 (b) SEM图像和映射图像。(c) 1.0 ~ 10.0 mV s^-1和 (d) 15.0 ~ 200.0 mV s^-1下的CV曲线，(e) 1.0 ~ 20.0 mA cm^-2下的GCD曲线，(f) 奈奎斯特图，(g) 速率性能，(h) 能量和功率密度图，以及 (i) AMSC的循环寿命和库仑效率。(j) 串联和并联连接的几个AMSCs在2.0 mA cm^-2下的GCD曲线。

总结与展望

总之，本文开发了第一个具有定制NH₄⁺/H⁺共吸附机制的AMSCs，使用h-Ti₃C₂ MXene负极，MnO₂-CNTs正极和酸性PAM水凝胶电解质组装。NH₄⁺/H⁺的共吸附不仅提高了吸附动力学，而且由于H⁺和NH₄⁺之间的协同作用，降低了电极材料的吸附能。此外，与2D Ti₃C₂T_x MXene相比，h-Ti₃C₂ MXene具有地毯状结构和更多含氧官能团，这不仅改善了2D Ti₃C₂T_x MXene堆叠特性导致的厚电极超低速率性能，而且提高了H⁺和NH₄⁺与电极材料的接近性。同时，MnO₂-CNTs的三维网状结构也可以增强厚电极的超低速率性能。因此，采用激光雕刻技术制备了具有定制NH₄⁺/H⁺共吸附机制的高负载AMSCs，具有令人满意的功率密度（110.91 μWh cm^-2时16.50 mW cm^–²）、能量密度（0.825 mW cm^-2时394.59 μWh cm^-2）和循环寿命（20000次GCD循环后保留率为92.45%）。这项工作将为下一代微超级电容器的MXene改性和物理设计提供一个有前途的研究方向。