Hierarchically Porous 3D Freestanding Holey-MXene Framework via Mild Oxidation of Self-Assembled MXene Hydrogel for Ultrafast Pseudocapacitive Energy Storage

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作者
Anirban Sikdar,Frédéric Héraly,Hao Zhang,Stephen A. Hall,Kanglei Pang,Miao Zhang,Jiayin Yuan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (4): 3707-3719 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c11551
摘要

The true promise of MXene as a practical supercapacitor electrode hinges on the simultaneous advancement of its three-dimensional (3D) assembly and the engineering of its nanoscopic architecture, two critical factors for facilitating mass transport and enhancing an electrode's charge-storage performance. Herein, we present a straightforward strategy to engineer robust 3D freestanding MXene (Ti3C2Tx) hydrogels with hierarchically porous structures. The tetraamminezinc(II) complex cation ([Zn(NH3)4]2+) is selected to electrostatically assemble colloidal MXene nanosheets into a 3D interconnected hydrogel framework, followed by a mild oxidative acid-etching process to create nanoholes on the MXene surface. These hierarchically porous, conductive holey-MXene frameworks facilitate 3D transport of both electrons and electrolyte ions to deliver an excellent specific capacitance of 359.2 F g–1 at 10 mV s–1 and superb capacitance retention of 79% at 5000 mV s–1, representing a 42.2% and 15.3% improvement over pristine MXene hydrogel, respectively. Even at a commercial-standard mass loading of 10.1 mg cm–2, it maintains an impressive capacitance retention of 52% at 1000 mV s–1. This rational design of an electrode by engineering nanoholes on MXene nanosheets within a 3D porous framework dictates a significant step forward toward the practical use of MXene and other 2D materials in electrochemical energy storage systems.
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