10月28日电 MXene是一类二维过渡金属碳化物、氮化物与碳氮化物，凭借优异的金属导电性和独特的电化学界面，被广泛应用于超级电容器与传感器，其性能和材料的本征电容直接相关。然而，在实验上对于单层Ti3C2Tx MXene薄片单元的直接测量极为困难：一方面，当前通过液相法合成的单层MXene横向尺寸小，其有效电容值在皮法量级，极易被寄生电容淹没；另一方面，单层MXene化学性质活泼、极易受损，难以承受紫外曝光或电子束曝光等常规微器件制备工艺。
近日，清华大学集成电路学院王晓红教授课题组围绕二维材料MXene本征电容取得重要突破。课题组提出一种基于“薄片保护”与“寄生电容屏蔽”复合策略的单层电化学微池结构，并借助跨阻放大器的虚地特性有效屏蔽寄生电容干扰，最终通过锁相放大器精确检出Ti3C2Tx MXene界面的容性电流，定量解耦了赝电容与双电层电容的贡献。这一工作为直接测量单片二维材料的本征电容提供了新的实验路径。
单层Ti3C2Tx MXene电容测量的微池结构以及MXene在不同电解液中的电容特性
在此基础上，课题组直接测定单层Ti3C2Tx薄片的本征面电容，分别测定其在酸性电解液中的准静态面电容和碱金属离子电解液中K⁺、Na⁺、Li⁺对应的准静态面电容。研究发现，MXene的本征电容与电解质浓度存在依赖关系。双电层是Helmholtz层与扩散层的串联，前者近似不随浓度变化，后者正比于浓度平方根；赝电容则服从Frumkin吸附规律，对浓度仅呈弱相关。
基于二者在电解质浓度依赖性上的差异性，课题组通过对不同浓度电解质的测量，将赝电容和双电层电容解耦，获得了二者的定量占比。结果表明：在没有限域效应的情况下，在酸性电解质中赝电容仍然存在，赝电容是MXene的本征电容性质；在中低频下，赝电容与双电层在MXene表面共同存在。该研究建立了单层Ti3C2Tx MXene电容机制共存的定量图像，为MXene基电化学电容器设计建立了实验基准。该电化学微池结构与浓度解耦方法，还可推广至其他二维材料、导电金属有机框架纳米片以及亚稳态1T相过渡金属硫族化合物的本征界面研究。
总体而言，此项工作通过构建“薄片保护+寄生电容屏蔽”的电化学微池，直接测量了单片Ti3C2Tx MXene的本征电容，明确了赝电容与双电层电容在MXene界面共存及其定量贡献。研究成果以“单层Ti3C2Tx MXene 本征电容性能的直接实验定量测定”（Direct Experimental Quantification of Intrinsic Capacitive Properties of Monolayer Ti3C2Tx MXene）为题，于10月22日发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。清华大学集成电路学院2021级博士生许明豪为论文第一作者，王晓红为通讯作者。研究获得国家自然科学基金资助。
