CSR综述：2D MXenes用于超级电容器

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自从2011年Ti₃C₂T_x问世以来，MXenes在2D 无机功能材料领域打开了一个全新的研究领域，其固有的电子导电性，超亲水性，丰富的表面化学以及层状结构吸引着众多研究者的注意力，这可以从MXene研究论文数量在近些年呈指数增长得到印证。独特的性能和易加工性使其成为众多研究领域中有巨大应用潜力的材料，尤其在以超级电容器为代表的的储能领域当中。近日，中科院金属所王晓辉研究员与青岛科技大学Zhenjiang Li教授在国际顶级学术期刊Chem. Soc. Rev. 上发表题目为：Emerging 2D MXenes for supercapacitors: status, challenges and prospects的综述文章，总结了MXene材料在超级电容器应用上的研究进展，从制备方法的角度出发，探究其对MXenes的结构与结构化学的影响。

图1. HF或HCl/LiF刻蚀MAX相进而得到MXenes。

图2. 在KOH溶液中Ti₃C₂T_x电化学原位XRD研究与阳离子插层示意图。

图3. 电化学原位XAS数据。

图4. 插层赝电容的电荷储存机理。

图5. MXene的改进设计策略，包括层间结构设计，表面化学设计和电极结构设计。

图6. 通过HF和HCl/LiF合成MXene的¹H NMR峰

图7. MXene基对称式不同维度的超级电容器

图8. 一些MXene基的超级电容器器件组装示意图。

图9. 具有代表性的MXene基超级电容器器件。

MXenes的2D结构，良好的亲水性，较高的机械稳定性与独特的光学性能，使其成为一类非常有前景的电极材料，可以用于不同类型的超级电容器，其中包括1D，2D和3D对称式和非对称式超级电容器，微型超级电容器以及透明的超级电容器等等。尽管已经取得了很大的进展，仍然还有很多的问题和挑战亟待研究者们解决。

i) 目前，HF与HCl/LiF刻蚀是最常使用的MXenes刻蚀方法，无论是实验室还是大规模生产，其毒性是很大的问题，因此需要探索安全，可靠，和低成本的方法刻蚀现有的和新的MXene材料。

ii）目前，已经有超过100种MXene被预测，但只有30种MXene被成功合成出来，探索新型MXene的刻蚀对整个MXene材料的发展来说十分重要；

iii）许多研究已表明，表面化学成分与状态对MXenes在酸性溶液中的电化学性能有很大的影响。因此，对其进行表面进行表征非常重要，然而，现在还缺少有效的表征方式去区分羟基，氟基和氧基等官能团。

iv）MXenes在超级电容器应用中的研究主要集中于水系系统，在有机溶剂与离子液体中的电化学性能研究还很少，这也是今后的一个发展方向。

v) 对于材料来讲，化学与热力学稳定性是很重要的一个参数。在水或氧气存在的环境下容易氧化，因此，如何控制MXene的长期稳定性需要被深入的研究，虽然一些抗氧化剂已经被应用，但是提升MXene抗氧化能力的有效方法仍急需被研究。

文献链接：

DOI:10.1039/d0cs00175a