二维层状材料MXene-Ti3C2Tx的电容行为研究开题报告

全文总字数：6436字

1. 研究目的与意义（文献综述）

物联网、人工智能等社会信息化建设概念的出现，以及能源结构变革的需求，对储能器件提出了新的要求和发展方向。锂离子电池、燃料电池、超级电容器可以作为代表。其中，超级电容器因其功率密度高、充放电时间快以及循环寿命长等优点而得到广泛关注，在消费电子、医疗设备、交通、电力等领域有着多样化的应用。

根据界面化学与物理，可以将超级电容器分为两类：一类是赝电容超级电容器，基于各种氧化还原活性的材料，如导电聚合物和过渡金属氧化物；另一类是双电层电容器，由多种具有高表面积的碳材料制成。赝电容依赖于材料表面上的法拉第电流反应。而双电层电容器的能量存储机制在于电极材料/电解液界面上建立的双电层。双电层电容器的特点是具有高功率密度和优异的循环寿命，使得能量能够快速的存储和释放。尽管在电容器性能的提升上近年来取得了重大进展，但双电层电容器（<10wh kg^-1）的能量密度和电池（100wh kg^-1）相比仍有较大差距。当前的研究主要从开发新材料和探索潜在的基础能量存储机理两方面。

传统以碳基材料（如活性炭、石墨烯、碳纳米管等）为活性物质双电层超级电容器，在孔容特性、双电层结构、表面活化等方面的研究已经形成稳定的理论体系。随着以石墨烯为代表的二维材料研究逐渐深入，对二维材料在电化学中独特的电输运特性吸引了大量研究者的加入。二维材料由于其特殊的形貌以及晶体生长的高度各向异性，电子一般仅可在两个非纳米尺度的方向上运动，表现出特殊的电学性能，从而成为储能领域的研究热点。然而基于传统二维材料（如石墨烯）的双电层超级电容器也面临着一些问题：传统大孔-介孔-微孔的孔容特性不适用二维双电层模型；层间距对双电层的限域作用更加明显等。因此，研究和发展基于二维材料的层间离子电子输运特性，对二维材料在超级电容器等储能领域的应用是非常重要的。

2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容：

课题拟设计和研究基于多组分层间修饰的mxene-ti₃c₂t_x薄膜，即通过化学刻蚀手段选择性刻蚀三元层状化合物制备表面性质稳定的少层mxene-ti₃c₂t_x。通过真空辅助抽滤制备 mxene-ti₃c₂t_x薄膜。通过水浸泡、热干燥处理，制备不同层间水含量的mxene-ti₃c₂t_x薄膜电极。通过电化学性能测试与结构、形貌表征，分析层间水含量对电化学行为的影响。

研究目标 ：

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－8周：按照设计方案，制备无引入杂质离子的少层 mxene-ti₃c₂t_x薄膜。以xrd、sem等先进表征技术来确定该结构的形貌特征、化学组成、物相以及结构等基本性质。

第9－12周：结合 mxene-ti₃c₂t_x 薄膜工艺和电化学测试体系，组装三电极电化学测试系统。分析多层间水和少层间水的 mxene - ti₃c₂t_x 薄膜工作电极的电化学行为差异，评价层间水含量对赝电容和双电层的影响。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] pech d., brunet m., durou h., huang p., mochalin v., gogotsi y.,taberna p. l., simon p. ultrahigh-power micrometre-sized supercapacitors basedon onion-like carbon [j]. naturenanotechnology, 2010, 5(9): 651-654.

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