超级电容器作为电池与传统电容器之间的一种新型储能装置，具有循环寿命长、充放电速率快、环保、功率密度高、安全性高等优点。MXene是一种新型的二维材料，它是由过渡族金属形成的碳氮化物。通过利用HF刻蚀掉前驱体材料MAX中的金属“A”，形成MXene材料。刻蚀过后的MXene呈现一种手风琴状的层状结构，同时具有良好的导电性，从而广泛用于超级电容器的研究中。近日，皇冠杨维清教授课题组在MXene基超级电容器领域取得了重要进展，以皇冠为第一单位取得的研究成果相继在国际著名期刊ACS Nano (IF=13.903) 和Nano Energy (IF=15.548)上发表，该成果得到了国家自然科学基金、皇冠和皇冠的大力支持。

工作一：阐明和调控Ti₃C₂T_x MXene基超级电容器的自放电行为

丰富的化学性质和表面功能化使MXenes的电化学活性增强，但同时也严重加剧了其在超级电容器中的自放电行为。然而，这种自放电行为及其相关机制仍然是一个研究空白。自放电现象将严重限制超级电容器的容量、能量密度等其他性能。因此，必须更好地了解MXene基超级电容器的自放电机理，有效地环节自放电现象，才能使超级电容器更有效地储存能量。

在纳米能源与功能器件团队青年教师张海涛副教授和杨维清教授的共同指导下（共同通讯作者），课题组学生王子兴，徐忠和黄海超（共同第一作者）提出了一种界面化学调控策略，成功地阐明和有效地缓解了Ti₃C₂T_x MXene基超级电容器的自放电行为。本工作可以指导设计高性能和低自放电性能的MXene基超级电容器，并将促进其更广泛的商业应用。该研究成果以 “Unraveling and Regulating Self-Discharge Behavior of Ti₃C₂T_x MXene-Based Supercapacitors” 为题在线发表在ACS Nano上。

(论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.0c01056)

图1. 揭示和调控Ti₃C₂T_x MXene基超级电容器的自放电效应。(a) 不同的紧密键合模型的示意图。(b) 不同的键合模型导致了混合自放电机制。(c) 通过调控界面化学，实现调控自放电过程的策略。

图2. Ti₃C₂T_x MXene基超级电容器的自放电行为。(a) MXene基超级电容器的示意图。(b) 漏电流测试。(c) a-MXene和(d) t- MXene基超级电容器在不同的电流密度下的开路电位随时间的变化。

图3. a-MXene和t-MXene自支撑薄膜的形貌和成分组成。(a) a-MXene和(b) t-MXene自支撑薄膜典型的扫描电镜图。(c) t-MXene膜的能谱图。(d) a-MXene和(e) t- MXene薄膜的高分辨X射线光电子能谱。

图4. Ti元素的X射线吸收精细结构。(a) a-MXene和t-MXene以及Ti箔和TiO₂的Ti K-edge XANES谱。(b)通过参考Ti箔和TiO₂的Ti K-edge能量转移，估算a-MXene和t-MXene中的Ti元素的平均氧化态。(c) a-MXene与t-MXene对应的EXAFS R空间拟合曲线。

图5. MXene结构的DFT计算。(a) 通过调节MXene表面官能团从而缓解自放电的示意图。(b) 不同的功能化Ti₃C₂T_x吸附K原子的结构图。(c) 不同位置的吸附能。

工作二：MXene基微型芯片超级电容器：一种低成本、可扩展的处理-切割-旋涂制造平台

近年来，便携式电子设备的快速发展，迫切要求芯片式储能器件，尤其是与硅兼容的芯片式储能器件向小型化、高性能、高集成方向发展。薄膜电池和微型超级电容器(MSCs)作为最具潜力的候选者，可以为其他电子元件节省空间，减小器件整体尺寸。与薄膜电池相比，MSCs具有更高的充放电速率、功率密度和更长的循环寿命，是芯片式储能器件的最佳选择。然而，大多数报道的硅基MSCs仍存在界面连接弱、能量密度低、制造工艺复杂等问题，从而阻碍了其与硅芯片的集成。因此，设计一种低成本、可扩展的硅基MSCs制造方法有着重要的实际意义。

近期，皇冠的杨维清教授与张海涛教授(共同通讯作者)指导下，课题组黄海超和何家琪（共同第一作者）在Nano Energy期刊上发表题为“Scalable, and Low-cost Treating-Cutting-Coating Manufacture Platform for MXene-Based On-chip Micro-supercapacitors”的研究论文。该工作展示了一种可扩展的、低成本的处理-切割-涂层(TCC)制造平台，用于Ti₃C₂T_x MXene基芯片式MSCs。对硅/二氧化硅(Si/SiO₂)表面进行亲水处理，通过氢键作用有效增强MXene-Si界面的粘附力。此外，利用紫外冷光切割和旋涂工艺，在以Kapton胶带作为掩膜的Si/SiO₂基底上快速制备MXene电极。该方法制造的MSCs表现出472 μF cm^-2和21.4 F cm^-3的高面积和体积比电容，在10000次循环后，仍具有超过87.6%的容量保持率。因此，该工作为开发小型化、智能化储能器件提供了新的思路和策略。

图1. (a) 规模化制造芯片式MSCs的实物图。(b) 芯片式MSCs与其他on-chip器件的集成示意图。(c) 芯片式MSCs的制造流程图。

图2. 芯片式MSCs的表面形貌和结构表征。 (a) 叉指状MXene电极的光学显微镜照片；(b) 叉指状MXene电极的SEM图片；(c) 叉指状MXene电极的截面SEM图片；(d) MSC-10的AFM图片；(e) MXene薄膜的厚度约为162nm；(f) 表面轮廓显示出MSC-10表面的均匀性。

图3. 芯片式MSCs的电化学行为分析。 (a) 不同MSCs在10 mV s^-1的CV曲线；(b) 不同MSCs在0.1 μA cm^-2的GCD曲线；(c) MSC-30在扫描速率从5 mV s^-1到200 mV s^-1的CV曲线；(d) 不同MSCs在不同电流密度下的体积比电容；(e) 不同MSCs在不同电流密度下的面积比电容；(f) 4种器件的奈奎斯特图。

图4 (a) 单个器件、串联、并联的器件在10 mV s^-1的CV曲线；(b) 单个器件、串联、并联的器件的GCD曲线；(c) 芯片式MSCs在电流密度为10 μA cm^-2的循环性能，插图给出的是循环过程中的GCD曲线；(d) 芯片式MSCs的拉贡（Ragone）图谱，通过与rGO-CNT、VN/CNT、PPy、LSG等进行比较，可以看到MXene基芯片式MSCs同时具有较高的能量密度和功率密度，展现出良好的电化学存储能力。

(论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519311474)

团队介绍：

杨维清，皇冠hg8868老版本教授/博导，四川省第十二届政协委员，长期担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家，四川省杰出青年，2007和2011年分别获得四川大学硕士和博士学位，2011-2014年先后在电子科技大学和美国佐治亚理工学院从事博士后，2014年4月引进到皇冠皇冠教授博导，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Adv. Mater.（IF: 25.809）, ACS Nano (IF: 13.903），Nano Lett.（IF：12.279）, Adv. Funct. Mater. (IF: 15.621) 等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计160余篇，其中影响因子IF>10论文41篇，ESI高被引论文15篇，引用5500余次(Google Scholar)。主持国家自然基金、四川省杰出青年基金项目、教育部留学回国人员启动基金项目等多项省部级项目。申请专利40项(已授权18余项)。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能 网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。也是Newscientists（科技媒体世界排名第一，见百度）首次报道皇冠的科研工作。相关科研成果在北京科技展和中关村科技展上，受到国务院副总理刘延东、中科院院 长白春礼院士和中科院北京分院院长何岩院士的高度评价，受邀参加中国国际广播电台名人坊节目专访。

课题组网站：https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index.htm