当今世界,能源、人类与环境的和谐发展已经成为社会关注的热点和焦点。随着对便携式能源和可持续性需求的增加,资源的枯竭,以及工业生产、燃料燃烧所造成的环境污染,特别是近期因化石燃料的大量燃烧所导致频发的雾霾天气已严重影响我们的健康与生活。因此研发安全性高、无污染的绿色能源己经成为人类迫切需要解决的重大难题。以太阳能、风能和海洋潮汐能为代表的可再生绿色能源,尽管资源丰富并可再生,但其能量在时间和功率上的弥散性,严重限制了其发展。性能优异的化学电源作为一种清洁高效的储能装置在能源和环境保护方面占有重要的地位,开发高性能的化学电源己成为世界各国竞相发展的领域之一。超级电容器因具有比电池更高的功率密度,更长的使用寿命而受到越来越多的关注。电容器根据其储能机理可分为双电层电容器和赝电容电容器,传统电容器（双电层电容器）的储能机理为离子吸附,从而导致其能量密度较低,无法满足实际应用的需要;而赝电容电容器,虽然可以通过赝电容材料的氧化还原反应提供更高的能量密度,但通常使其具有较短的周期寿命,且制备成本高昂,从而限制了赝电容材料的发展。根据赝电容电容器储能机理的不同,可将赝电容分为以下三种,第一种是欠电位沉积,欠电位沉积是指溶液中金属离子在氧化还原电位的作用下,吸附在另一种金属表面所形成单层金属层的过程,这一反应过程发生在两种不相同的金属之间。第二种是氧化还原赝电容,是指溶液中的离子通过电化学吸附,使离子到活性物质近表面或者表面,然后与传输而来的电子发生氧化还原反应,将电子或离子转化为电荷形式储存起来。第三种是插层式赝电容三种。插层式赝电容是指针对层状材料或者隧道状材料的一种新型赝电容储能形式。溶液中的离子,插层到材料的层间或者孔道内,进而与周围原子、传输来的电子发生氧化还原反应。不同于锂电池的插层,插层式赝电容不会引起材料发生相变。近年来,人们发现了一个新的二维材料家族,称为MXenes。MXenes是由多种元素组成的层状结构,其通式为M_n+1X_n,其中M是早期过渡金属,X是碳和/或氮。到目前为止,人们已经发现并合成了30多种不同的MXenes。MXenes用于储能领域的主要原因在于,MXenes材料含有保证电子导电性的碳核中心以及可进行快速氧化还原反应的过渡金属氧化物。MXenes是一种极具发展前景的电化学储能材料,特别是作为超级电容器电极材料的Ti₃C₂T_x（T_x=O,OH,F表面终端）,其在酸性电解液及离子电解液体系中均表现出优异的质量容量和体积容量。第一份关于Ti₃C₂T_x在硫酸中的电容行为的报道中,其电容可达520 F cm^-3和325 F g^-1。随后的工作其性能得到了进一步的提高,截至目前为止,Ti₃C₂T_x水凝胶的体积容量高达1500 F cm^-3,同时大孔Ti₃C₂T_x在10v s^-1的超高扫速下质量容量达到了210 F g^-1,Ti₃C₂T_x优异的电化学性能已经超过了目前已知的碳基材料,与金属氧化物RuO₂的电化学性能相当。为了实现更高性能的可充电储能装置,研究和了解电极材料在电化学反应过程中的物理和化学变化至关重要。目前已有多种原位测试方法用于探索Ti₃C₂T_x在各种电解质中的电荷储能机理。第一篇关于MXenes在超级电容器领域应用的报道中,研究人员利用原位XRD揭示了MXenes的储能机理,他们发现Ti₃C₂T_x在电化学反应过程中,Na⁺,K⁺和Mg²⁺（分别来自CH₃COONa,KOH和MgSO₄溶液）可以在Ti₃C₂T_x层间进行嵌入和脱出。随后的报道中,研究者采用这种方法探究了Ti₃C₂T_x在离子液体（EMI-TFSI）以及有机电解液（LiPF₆）中的储能机理。虽然Ti₃C₂T_x在硫酸电解液中获得了最佳的电化学性能,但是关于Ti₃C₂T_x在硫酸中利用原位XRD探究储能机理的研究却从未被报道过。本论文中,首先创新发明了一种“电化学原位反应X射线衍射测试装置”,弥补了原位电化学XRD设备在酸性水系电解液中无法测量的技术空白,并应用此发明器件首次探究了新型二维过渡金属碳化物Ti₃C₂T_x在硫酸电解液中的储能机理。目前大多数研究人员仍然相信,因H⁺的半径较小,当H⁺嵌入或脱出Ti₃C₂T_x层间时,Ti₃C₂T_x的层间距不会发生变化。但我们通过实验发现,在1 mol/L H₂SO₄中,0.9V的电压窗口下,Ti₃C₂T_x的c轴晶格参数变化了0.54?。实验结果表明当H⁺嵌入/脱出Ti₃C₂T_x层间时,其c轴的晶格参数变化超过了0.5?,这一变化超过了目前已被报道的其它电解质。同时我们采用密度泛函理论,模拟H⁺嵌入/脱出过程Ti₃C₂T_x c轴方向的晶格参数变化,结果显示理论计算结果与实验结果变化趋势一致,证明了Ti₃C₂T_x在硫酸中的储能机理不仅存在氧化还原赝电容,同时存在插层式赝电容。证实了Ti₃C₂T_x在酸性电解液中的储能机理存在插层式赝电容,我们的实验结果完善了Ti₃C₂T_x的储能机制,从理论和实验两方面为研究者们进一步提升电极材料的电化学性能提供了依据。赝电容的嵌入/脱出的储能机制的证明意味着Ti₃C₂T_x在储能领域有更广阔的应用前景,也为Ti₃C₂T_x在其它领域（如电化学驱动器）的应用提供了理论依据。此外,为了提高Ti₃C₂T_x的能量密度,我们选择了电压窗口更宽的离子液体（EMI-TFSI）,并利用原位XRD研究了Ti₃C₂T_x在离子液体中的储能机理。为拓展Ti₃C₂T_x在储能领域的实际应用,我们还探索了在低温（0℃）以及更低温度（-20℃）下,Ti₃C₂T_x在离子液体EMI-TFSI中的X衍射图谱随电压的变化,从而揭示Ti₃C₂T_x在低温状态下的储能机制。