多孔二维层状Ti3C2Tx (MXene)材料的调控合成及其在柔性可穿戴微型超级电容器中的应用研究

As a new two-dimensional layered material, Ti3C2Tx-based transition metal carbide, MXene, have extensive application potential in electrochemical energy storage field, such as flexible capacitors, due to its unique morphology structure, surface hydrophilicity, metallic conductivity, excellent mechanical strength and high packing density. In this project, we propose in-situ chemical oxidation etching method to design porous two-dimensional layered MXene materials, and utilize in-situ polymerization between the layers of MXene to fabricate free-standing MXene/conducting polymer composites, and the synergistic effect of different porosity and layered structure on capacitive property will be optimized by adjusting the various etching agents, the dosage of etching agents and the time of etch, as well as analyzing their structure-activity relationship. We will design and assemble flexible microsupercapacitors with an interdigitated planer architecture by using free-standing MXene/conducting polymer composites as electrode material and current collectors, and it will be incorporated into wearable garment to realize its wearable application by utilizing spin-coating and laser-scribing technologies. This project will provides experimental basis and theoretical foundation for the further improvement in capacitive energy storage performance and the popularization of flexible microsupercapacitor with high volumetric capacitance in practical application, meanwhile, and provides the preliminary application for flexible microsupercapacitor in wearable electronics.

Ti3C2Tx基过渡金属碳化物MXene作为一种新型二维层状材料，由于其独特的结构、亲水性表面、金属导电率和优异的机械强度，使其在柔性微型超级电容器等电化学储能领域有广阔的应用潜力。本项目提出采用原位化学氧化刻蚀法，设计合成多孔二维层状MXene材料，并利用层间原位聚合生长法，制备自支撑MXene/导电聚合物复合材料，通过调控刻蚀剂类型、浓度和刻蚀时间，优化孔隙结构与自身层状结构对电容性能协同影响作用，分析其结构与性能之间的构效关系。以自支撑的MXene/导电聚合物制备电极与集流体一体化设计的平面交互型柔性微型电容器，并结合旋涂、激光打印等工艺将其嵌入纺织衣物实现该柔性微型电容器的可穿戴性应用。本项目将为新型多孔二维层状MXene材料电容储能性能的提升及具有优异弯折稳定性和高体积电容的柔性微型超级电容器应用的推广提供理论和实验依据，并为此类柔性微型电容器在可穿戴性电子产品中提供初步应用。

MXene作为二维材料家族的新成员，其独特的物理和化学性质赋予其特殊的光学、电学、磁学和热血等性能，使其成为众多潜在应用的备选材料，是当前物理、化学、材料等领域的研究热点。本项目通过优化刻蚀条件，包括刻蚀剂类型、浓度、时间等参数，获得具有不同形貌结构的Ti3C2 MXene材料。同时，借助热还原技术、原位化学氧化等技术实现对其表面结构缺陷的调控，相应的获得具有不同表面缺陷类型和表面化学性质的Ti3C2 MXene材料。通过不同的组装技术构筑具有不同结构的Ti3C2 MXene基复合材料，并系统探究复合材料的光学、电学性质及其光催化固氮性能。研究发现表面构筑的低价态Ti位点及其氧空位缺陷是有效的N2分子的吸附和预活化活性位点，有助于改善其光催化固氮活性。为拓宽Ti3C2 MXene基材料在光催化领域的应用提供了可选择的参考和理论依据。此外，我们设计了一系列高能量密度的多孔电容炭，并系统研究了其在不同电解液中的电容性能，对比总结其电容性能优劣点，为设计不同需求的全固态电容器提供可参考的理论实验依据。在高效多孔炭基二氧化碳捕获剂材料的纳米定制方面，我们采用不同的造孔技术设计构筑了一系列具有多级孔孔隙结构的多孔炭材料，并系统研究揭示了孔结构和表面化学环境对二氧化碳吸附性能的作用规律，为设计高效的多孔炭基CO2捕获剂提供了理论依据。