Coord. Chem. Rev.｜MXene与金属硫族化物/氧化物复合的设计策略：超级电容器，二次电池与光/电催化

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北科纳米可提供MXene材料（可定制）

综述摘要

从2011年起，作为一类新型的二维材料体系，MXenes在能量储存于转化领域展示出了极大的潜力，这主要得益于卓越的电子电导率、大比表面积与成分方面的多样性。截至目前，合成出的MXene通常都带有表面官能团，比如-OH，-O或-F，折服于了MXene材料较高的亲水性与丰富的表面化学特性，但仍然面临着重堆叠等问题。考虑到材料的电化学与电催化性能高度依赖与材料的成分与表面化学性质，将MXene与功能化材料复合，诸如过渡金属硫族化物（TMC）与过渡金属氧化物（TMO），这样一来在阻止重堆叠的同时，还能够向复合物中引入协同效应以提升性能。因此，MXene/TMC与MXene/TMO复合结构的精巧设计与合成，对形貌进行调控以增强电化学性能是非常重要的。鉴于此，新加坡科技与设计大学Hui Ying Yang教授、广州工业大学Yufei Zhang教授与广州大学范浩森教授研究团队在《Coordination Chemistry Reviews》发表最新综述，主要讨论了MXene/TMC与MXene/TMO复合物在超级电容器、二次电池与电催化中的应用。首先将合成与复合方法分为五类，比较了不同方法中结构与形貌之间的关系。然后对近期报道的MXene/TMC与MXene/TMO复合物在上述应用中的研究进展进行了分析与总结。最后，对MXene基电极材料的性能在未来主要面临的挑战与发展方向进行了展望。

图文导读

图1. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程的代表性工作。

图2. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程的代表性工作。

图3. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程的代表性工作。

图4. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程的代表性工作。

图5. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程的代表性工作。

图6. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程与在超级电容器中应用的代表性工作。

图7. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程与在二次电池中应用的代表性工作。

图8. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程与在二次电池中应用的代表性工作。

图9. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程与在二次电池中应用的代表性工作。

图10. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程与在二次电池中应用的代表性工作。

图11. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程与在二次电池中应用的代表性工作。

图12. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程与在二次电池中应用的代表性工作。

图13. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程与在二次电池中应用的代表性工作。

图14. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程与在电催化水分解应用的代表性工作。

图15. MXene/TMO与MXene/TMC合成过程与在电催化水分解应用的代表性工作。

总结与展望

（i）对于超级电容器：TMO与MXene的复合被更多地研究，这主要得益于TMO能够赋予复合材料更高的比电容。前期研究指出，构筑具有多比表面积的多孔结构能够促进快速的法拉第反应。

（ii）对于二次电池：有效地限制体积膨胀的同时提升电子电导率，这对于长期循环稳定性与倍率性能来说至关重要。更重要的是，需要充分利用活性材料的比表面积，以实现快速可逆的氧化还原反应。

（iii）对于水分解：更多的研究已经对MXene的本征性质进行充分研究，尤其是表面化学性质，通常来讲，MXene与TMC可以作为双功能催化剂用于全解水。

然而，面向实际应用时，仍然有许多关键的问题需要解决。首先，从MXene的角度来说，Ti₃C₂T_x已经被广泛地研究，更多的研究重点应该聚焦于其他的MXene种类，如Nb₂C与V₂C，不同类型的MXene会对其相应的电化学性能有截然不同的影响。值得一提的是，无官能团的纯MXene还没有被合成出来。其次，从复合的角度来说，TMO与TMC通常具有不同的形貌与晶体结构，即使对于同样的复合物也是一样。MXene具有2D结构，对于不同维度与尺寸的复合物来说，合成方法也是不同的。因此，找到一种合适的路线以设计不同结构的TMO与TMC复合物可以实现对性能的调控。

MXene的复合仍然处于初始研究阶段，由于相似性，许多研究借鉴石墨烯复合物的复合方法，利用类似的方法合成不同的材料。尽管如此，更多的研究应该探究基于特定电化学性质的独特的设计策略。比如，在水热合成过程中，MXene的重堆叠与氧化问题需要被避免，这一以来具有分层纳米结构的TMO与TMC是更合适的选择。此外，需要引入导电多孔体积缓冲物质，比如碳的包覆。通过改变合成条件以调控在不同电化学器件中的电化学性能。

对于TMO/MXene复合物来说，大多数的研究集中于超级电容器、锂离子电池、锂硫电池与OER，这是因为TMO具有更高的理论电容与容量，以及更多得可用于OER的还原位点。对于TMCs，则在更多的应用中表现出优异的性能，包括多价态金属离子电池与双功能催化。最近的研究表明，MXene高导电性表面的充分利用可以促进HER与OER催化反应的动力学。总之，MXene与TMO与TMC的结合仍然处于萌芽阶段，研究者们坚信，这类复合物在未来的能量存储与转化应用中将具有更大的潜力。