东华大学武培怡课题组和复旦大学 Dong Yang课题组--高性能MXene水凝胶用作高性能超级电容器电极 的多尺度结构工程策略
作为一种新兴的二维(2D)材料，MXenes在超级电容器等电化学储能系统中引起了人们极大的兴趣。然而，当二维MXene薄片在自组装为电极时，本质上倾向于平躺在衬底上，导致与集电极正交的离子路径高度曲折，阻碍了离子的传输。这里，作者提出了一种简便的、多尺度结构调整的策略，以制造高性能的MXene水凝胶超级电容器电极。MXene浆料经过单向冷冻后，在硫酸电解液进行解冻，在这个过程中，自支撑的MXene凝胶电极被赋予了三维(3D)有序的宏观结构，其中充满了足够的电解质和H+插层微结构，这为水凝胶电极提供了丰富的离子储存活性位点。同时，有序的通道带来了纵向方向上高效的离子和电子传输途径，促进了电解液的渗透和电解液与电极之间的物质交换。此外，该策略还可以扩展到3D打印的全MXene微型超级电容器(MSC)的制造，在1.2 mA cm-2下提供2.0 F cm-2的超高面积电容，并在60 mA cm-2下保持1.2 F cm-2的电容以及创纪录的高能量密度（0.38 mW cm-2下高达0.1 mWh cm-2）。
Figure 1.多尺度结构工程策略(MSE)结合单向冷冻和在H2SO4中解冻来制备MXene水凝胶超级电容器电极的示意图。
Figure 2. （a）Ti3C2Tx MXene薄片的原子力显微镜图像。（b）根据TEM图像统计MXene薄片的尺寸。（c）有序MXene水凝胶的截面和（d）俯视扫描电镜图像。（e）MXene水凝胶和气凝胶的水接触角。（f）H2SO4解冻MXene水凝胶、H2SO4浸泡气凝胶和冻干气凝胶的XRD图谱和（g）放大图谱。
Figure 3. （a）MXene有序水凝胶在不同扫描速率和电流密度下的CV曲线和（b）GCD曲线。（c）有序MXene水凝胶的循环性能。插图:10000次循环(100 mV s-1)前后的CV曲线对比。对比（d）有序水凝胶、无序水凝胶、H2SO4浸渍气凝胶和过滤后MXene膜的CV曲线(100 mV s-1)、（e）倍率性能和（f）EIS比较。
Figure 4. （a）基于多尺度结构工程策略3D打印全MXene微型超级电容器(MSC)的制备过程。（b）MXene浆料的数码照片。（c）MXene油墨的剪切减薄行为（不同剪切速率下的应力和粘度）。（d）MXene油墨的振荡测量值(1 Hz)，应变从0.1%到500%并返回到0.1%。（e、f）3D打印MXene MSC的照片，比例尺为1cm。（g）MXene水凝胶MSC的俯视SEM图像。
Figure 5. 3D打印MXene MSC的（a）CV曲线和（b）在不同扫描速率和电流密度下的GCD曲线。（c）MXene水凝胶MSC的倍率性能。（d）MXene水凝胶MSC的循环性能。（e）循环试验前后MSC的EIS。（f）3D打印的MXene MSC与其他报告值的Ragone比较图。
相关研究成果由东华大学 Peiyi Wu课题组和复旦大学 Dong Yang课题组于2021年发表在《ADVANCED SCIENCE》 （https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202101664）上。原文：A Multi-Scale Structural Engineering Strategy for High-Performance MXene Hydrogel Supercapacitor Electrode 。
教授，博士生导师
东华大学化学化工与生物工程学院院长
国家杰出青年基金获得者(2004)，英国皇家化学会会员
上海市松江区人民北路2999号3号学院楼4093室，201620 Email: wupeiyi@dhu.edu.cn
1985-1988年，获南京大学理学学士、硕士学位
1998年，获德国ESSEN大学自然科学博士学位
1998-2000年，日本触媒研究中心从事研究工作
2000年至今，复旦大学高分子科学系教授
2017年起，东华大学化学化工与生物工程学院教授、院长
二维相关光谱在聚合物体系中的应用 (武培怡/孙胜童/侯磊)
智能仿生材料 (武培怡/孙胜童)
聚合物功能膜 (武培怡/吴慧青)
2004年 高聚物测试及表征方法——国家自然科学基金杰出青年基金 (20425415)
2018年 刺激响应多功能复合凝胶的设计、制备以及在智能皮肤中的应用——国家自然科学基金重点项目 (51733003)
2009年 生物大分子间弱相互作用的谱学揭示及相关方法学探讨——国家自然科学基金重点项目 (20934002)
2020年 α-甲基对相变行为的调控与结构功能启发——国家自然科学基金面上项目 (51973035)
2017年 带电温敏单体及其聚合物复杂体系结构性能研究——国家自然科学基金面上项目 (21674025)
2015年 线性温敏聚合物复杂结构的分子设计和分子光谱表征——国家自然科学基金面上项目 (51473038)
2013年 多重响应性聚(N-乙烯基己内酰胺)复合水凝胶材料制备和相变机理研究——国家自然科学基金面上项目 (21274030)
2010年 甲壳型聚合物液晶材料的二维相关振动光谱研究——国家自然科学基金面上项目 (51073043)
2008年 二维相关红外探针在聚合物研究中的应用——国家自然科学基金面上项目 (20774022)
2005年 动物丝蛋白体系二维相关光谱研究——国家自然科学基金面上项目 (20573022)
2003年 间规聚苯乙烯的二维振动光谱研究——国家自然科学基金面上项目 (20274010)
2001年 逐层组装法合成有序层状纳米导电高分子复合材料——国家自然科学基金青年科学基金项目 (50103003)