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  柔性電子和人工智能的發展極大的推動了能源儲能器件的爆炸式增長，其中，柔性固態超級電容器由于其快速的充-放電時間，高的功率密度和長的循環壽命而成為熱門研究課題。因此，發展具有優異機械性能和電化學性能的功能型電極是有待解決的問題。MXene由于其高導電性，表面化學性能可調性和優異的體積比電容，在超級電容器，鋰離子電池，電化學催化等領域表現出巨大的應用。但是，將MXene二維納米片組裝成結構性型電極時，其易于堆疊和片層之間缺乏較好的作用力仍然限制了其進一步的應用。因此，如何開發出高電化學性能兼顧優異力學性能的MXene結構電極仍然是個挑戰。

  除此之外，超級電容器在工作中會受到環境的制約，比如在低溫等嚴苛環境之中，限制了離子的傳輸，導致電化學性能的下降。如何在不犧牲電化學性能的前提下提高其工作窗口，拓展其在不同環境中的應用具有巨大的實際意義。

  近日，來自南京林業大學付宇教授團隊，在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上發表題為“Bioinspired MXene nacre with mechanical robustness for highly flexible all solid-state photothermo-supercapacitor”文章。該文章提出一種仿生界面策略構建具有優異電化學性能，機械柔韌性和光熱性能的功能型MXene結構電極。通過MXene表面輕度原位生長SnS₂納米結構，并與納米纖維素纖絲進行自組裝，形成具有層層結構的MXene高強度優異柔性的自支撐電極。原位SnS₂起到了界面增強和光熱能力雙重功能角色，實現了MXene電極力學性能和光熱轉化能力的進一步提升。進一步將MXene結構電極組裝成柔性全固態超級電容器，表現出優異的功率密度和循環穩定性。受益于材料優異的光熱轉換性能，系統研究了電容器在不同光照條件下的電化學儲能行為，拓寬了超級電容器的使用范圍。

圖1. 仿生界面策略構建MXene基光熱超級電容器

【本文要點】

要點一：仿生界面策略實現機械性能增強

  采用仿生界面策略，構建類似于貝殼多層級磚瓦結構實現了MXene材料的力學性能的提升。通過原位引入SnS₂和采用纖維素納米纖絲作為物理交聯劑組裝多尺度功能薄膜，保持斷裂伸長率的同時，拉伸強度相比純MXene提升了5倍。同時保持了較好的導電性，實現了高導電性和高力學性能集成。研究表明，MXene表面SnS₂可作為抗滑移劑從而提升MXene片層之間的物理作用力，同時CNF的分子鏈段之間的網絡糾纏效應進一步提升材料的強度和韌性。因此，該功能薄膜可作為柔性高強度的自支撐超級電容器電極。

圖2. MXene復合薄膜的力學評估

要點二：實現柔性高功率密度和循環性能超級電容器

  由于所得的MXene基結構電極具備優異的電化學性能和機械強度，可以將其用于構建柔性結構超級電容器。對稱的MXene基超級電容器表現出較好的柔性，能夠在彎折500后保持較好的電容保持率。并且充放電循環4000次仍然可以維持其初始電容值的91.5％，顯示出出色的循環穩定性。此外，MXene基對稱超級電容器在也展現出較好的能量密度和功率密度。

圖3 MXene基柔性對稱超級電容器的電化學性能

要點三：光熱效應電化學性能的提升

  由于離子遷移速度下降，超級電容器在低溫環境工作中通常會表現出電化學性能的下降。因此，為了提高超級電容器在低溫中使用性能，模擬了超級電容器在不同太陽光照強度下的電化學性能的變化。由于MXene和SnS₂之間協同作用，光熱轉換性能明顯提升，可以將周圍的太陽光轉換成熱量從而降低材料的電阻，同時提升離子穿梭速率，實現電化學性能的提升。測試超級電容器在0.5, 1, 和1.5 kW/m²光照強度下的循環伏安，充放電和交流阻抗性能，可以發現隨著光照強度的提升，超級電容器的電容實現了梯度增長過程，電極和電解質的界面也得到了提升。同時測試了不同光照強度下的充放電循環，在10次循環后也表現出較好的循環穩定性。經過計算，在1個太陽光照強度下，超級電容器的能量密度提升了60%。該工作為模擬光熱條件下超級電容器工作提供了概念性驗證。

圖4 光熱條件下MXene基柔性超級電容器的電化學性能研究

  文章第一作者為蔡晨陽，通訊作者為付宇教授，通訊單位為南京林業大學。

  文章鏈接：

  Bioinspired MXene nacre with mechanical robustness for highly flexible allsolid-state photothermo-supercapacitor

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129275