Hybrid supercapacitors based on two dimensional materials: Mxenes, graphene and TMDCs

Abstract

Tüyler ürpertici küresel ısınmanın etkisiyle dünya, enerji üretimi alanında, daha çevre dostu yeşil enerji kaynakları için umut verici bir yönde değişiyor. Bu enerji sistemlerinin sürekli olmayan doğası, günlük enerji talebini karşılama yeteneklerini engellemektedir. Bu sorun için bir çözüm, piller ve süper kapasitörler (SK'ler) gibi enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesinde bulunmaktadır. Yüksek güç yoğunluğuna sahip olmalarına rağmen, SK'ler genellikle düşük enerji yoğunluğu muzdariptir. İstenen verimli yük depolama kapasitesine sahip elektrot malzemelerinin tasarımı, alınan çok sayıda yoldan biridir ve iki boyutlu (2B) malzemelerin kendine özgü elektrokimyasal özelliklere sahip olması, elektrot malzemeleri uygulamasında araştırmalarını motive etmiştir. Bir veya birkaç katta görünüşte abartılı performans göstermesine rağmen, 2B malzemeler yığılmadan muzdarip olma eğilimindedir ve bu kapasitif potansiyellerini önemli ölçüde azaltır. Bu çalışma, SK uygulaması için 2B materyallerin (Grafen, Geçiş Metal Kalkojenitleri, MXenler) büyütülmesine yöneliktir. ~ 0.63 nm kalınlığında grafen ile yapılan SK'ler, 1M Na2SO4 elektrolitte 1 mV s-1 oranında 44 uF cm-2 özgül kapasitans ve 308 F g-1 gravimetrik kapasitans performansı gösterirken bunu üst üste yığılan sekiz kat grafen ile 154 μF cm-2'ye yükselmiştir. En yüksek gravimetrik kapasitans, 1.26 nm kalınlığındaki grafen için, 1 mV s-1'de 441 F g-1 olacak şekilde, 12.4 kW g-1 güç yoğunluğunda 39.2 Wh kg-1 enerji yoğunluğu ile ölçülmüştür. Sonlandırılmamış MXenler süper iletkendir ve iyon araya ekleme için büyük ara katman aralığına sahiptir. Kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile büyütülen Mo2C, 1 mV s-1 tarama hızında ~ 671 uF cm-2'lik bir kapasitans kaydederek oldukça ilginç sonuçlar göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Süper kapasitör, özgül kapasitans, CVD ve MXen

Stroke by the dreadful global warming, the world is changing in the field of energy generation in a direction auspicious for more environment friendly green energy sources. The interruptible nature of these energy systems hinders their ability to meet the over everyday energy demand. A remedy to this is found in the development of energy storage systems such as batteries and supercapacitors (SCs). Albeit endowment with high power density, SCs most often suffer from low energy storage capabilities. The design of electrode materials with desired efficient charge storage capabilities is one of the multiple pathways taken to boast device performance, and the discovery of 2D materials with peculiar electrochemical properties has nonetheless motivated their research as electrode materials. Although seemingly overrated performance at one or few layers, 2D materials tend to suffer from agglomeration, markedly reducing their capacitance. This study is directed at the growth of 2D materials (Graphene, Transition metal dichalcogenides; TMDCs and MXenes) and their SC application. SCs constructed with ~0.63 nm thick graphene measured a specific capacitance of 44 μF cm-2 and an gravimetric capacitance of 308 F g-1 at a rate of 1 mV s-1 in 1M Na2SO4 electrolyte, which increased to 154 μF cm-2 at 8 times the initial thickness, suggesting little restacking. The highest gravimetric capacitance was measured for the 1.26 nm thick graphene to be 441 F g-1 at 1 mV s-1 with an energy density of 39.2 Wh kg-1 at a power density of 12.4 kW g-1. Non-terminated MXenes are superconductive and possess large interlayer spacing for ion intercalation. Mo2C, as grown by CVD, demonstrated rather interesting results, recording a capacitance of ~671 μF cm-2 at a scan rate of 1 mV s-1.Keywords: Supercapacitor, Specific Capacitance, CVD and MXenes