MXenes结合了电池和超级电容器的优点

气候中性能源供应面临的最大挑战之一是电能的储存。传统电池可以储存大量能量，但充电和放电过程需要时间。另一方面，超级电容器充电速度非常快，但存储的能量有限。仅在最近几年才讨论了一类新材料，它结合了电池和超级电容器的优点，称为赝电容器。

有前途的材料：赝电容器

在赝电容材料中，由一大类二维过渡金属碳化物和氮化物组成的所谓 MXenes 似乎特别有前途。它们的结构类似于酥皮糕点，各层之间由一层能够传输电荷的水薄膜隔开。碳化钛 MXenes 尤其具有导电性，其层状结构与高度带负电的亲水表面相结合，提供了一种独特的材料，其中带正电的离子(如质子)可以非常有效地扩散。本研究中使用的 MXenes 由德雷克塞尔大学 Yury Gogotsi 教授团队合成。

检查电荷传输

在过去的几年里，这一特性已被用于在酸性环境中以前所未有的速度储存和释放质子的能量。目前尚不清楚电荷主要是基于 MXene 表面的质子吸附还是通过 MXene 夹层中的质子去溶剂化来存储的。

预期的分娩效果

由于其二维几何形状，夹在 MXene 层之间的 2-3 层厚水膜预计会以不同于我们通常所知的散装水的方式溶剂化质子。虽然这种限制效应应该在质子在 MXene 材料内部的快速扩散中发挥作用，但直到现在还不可能在充电和放电过程中表征 MXene 电极内部的质子。

振动模式分析

HZB 的 Tristan Petit 博士领导的团队现在通过分析红外光激发的质子的振动模式，首次成功地做到了这一点。博士后研究员 Mailis Lounasvuori 博士开发了一种原位电化学电池，她在充电和放电过程中用于分析 BESSY II 碳化钛 MXenes 内部的质子和水。在此过程中，她还成功地提取出了 MXene 层之间的封闭水中质子的特殊特征。

“这些振动模式与我们在三维水环境中观察到的质子振动模式非常不同，”Mailis Lounasvuori 说。

“事实上，水分子特别强烈地吸收红外辐射，而 MXene 在这个能量范围内发出非常少量的光，这使得红外光谱非常适合我们的问题，”Petit 解释道。

快速扩散解释

这种不寻常的水合结构表明质子在限制条件下被较少的水分子溶剂化，这表明质子在 MXene 层之间嵌入时的去溶剂化可能有助于酸性环境中的赝电容性能量存储。这也可以解释为什么质子在 MXene 材料中扩散得特别快，这与其快速放电/充电时间有关。除了储能应用之外，这项工作表明 MXenes 是研究受限化学物质基本特性的理想平台，这些化学物质当然还有其他有待发现的新化学特性。

该技术将进一步应用于质子以外的其他类型的阳离子(例如 Li +离子)在 MXene 材料内扩散，以在 2020 年授予的 ERC 启动补助金的框架内揭示新的赝电容储能机制。

注： Petit 于 2015 年获得了 Freigeist 奖学金，用于研究碳纳米材料(包括 MXenes)中的水相。2020 年，他获得了 ERC 启动基金，以加强对这些材料储能机制的研究。

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