超级电容器| Small | 柔性MXene基复合薄膜:合成、改性及其作为超级电容器电极的应用

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研究速览

■ 近日，西安交通大学阙文修教授、深圳技术大学孔令兵教授与泰山学院高博文副教授合作在国际知名期刊Small上发表题为“Flexible MXene-based Composite Films: Synthesis, Modification and Applications as Electrodes of Supercapacitors”的综述文章。本综述以西安交通大学为第一单位，深圳技术大学、泰山学院为合作单位，西安交通大学电信学部博士生罗艺佳为此综述第一作者，西安交通大学阙文修教授、深圳技术大学孔令兵教授与泰山学院高博文副教授为共同通讯作者。该文章对基于MXene的复合薄膜作为柔性储能器件电极材料的合成、改性和应用进行了深入的总结论述。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ MXenes是一类二维平面结构的纳米材料，于2011年首次被报道合成。由于MXenes具有比表面积大、延展性好、电导率高、亲水表面强、机械柔韧性好等优点，在各种性能优良的功能材料方面的应用得到了广泛的研究。本文综述了MXene基复合薄膜作为柔性储能器件电极材料的合成、改性及应用研究进展。在MXenes的合成中，着重介绍了刻蚀技术的发展和探索。此外，为了开发柔性MXenes基复合薄膜，从零维、一维和二维纳米材料的角度分类总结了目前用于改性MXenes的主要材料，并讨论了未来柔性MXenes基复合薄膜电极材料的发展前景和研究方向。

Part2

▉  研究要点1  ▉

■ 在MXenes的刻蚀技术上，作者将其总结为液相含氟刻蚀(刻蚀剂为HF、HCl/LiF、NaHF2、KHF2、NH4HF)，液相无氟刻蚀(电化学刻蚀)和非水相无氟刻蚀(路易斯酸熔盐法、化学结合球磨法)。虽然液相含氟刻蚀（如HF、HCl/LiF)更有效且使用也更广泛，但刻蚀剂具有很强的腐蚀性，并且通常会以不可控的方式产生-F、-OH和-O混杂的表面官能团。因此，非水相无氟蚀刻技术在MXenes的安全、可控、适应工业化生产方面具有更大的研究潜力。

图2 MXenes刻蚀技术的发展

▉  研究要点2  ▉

■ 在柔性MXenes薄膜材料的合成上，已经报道了包括辊压、真空抽滤、旋涂、喷涂、电泳沉积、静电纺丝、喷墨打印和机械压制等合成手段，这其中真空抽滤法是最经典且被普遍报道的柔性MXenes薄膜制备方法。

图3 MXenes不同成膜方法（a）辊压法（b）真空抽滤法（c）交叉抽滤法

图4 MXenes不同成膜方法（a）旋涂法（b）喷涂法（非柔性基体）（c）喷涂法（柔性基体）（d）喷涂辅助逐层组装法

图5 MXenes不同成膜方法（a）电泳沉积法（b）静电纺丝法（c）喷墨打印法（d）机械压制法

▉  研究要点3  ▉

■由于其稳定的层状结构、高电导率和丰富的表面官能团，MXenes可以结合多种组分形成复合材料，作为电极应用于柔性超级电容器。然而，纯MXenes仍有一些问题有待解决，如力学性能差、易重新堆积、横向尺寸相对较小以及在氧化气氛下的稳定性差。因此，通过零维、一维、二维及其组合的多维材料对MXene进行复合改性，能够缓解二维MXene纳米片的重新堆积，扩大了层间距，增大离子传输通道，促进材料间的快速离子传输。

首先，常用的零维改性材料包括金属纳米颗粒（Metal NPs）、零维过渡金属氧化物(0D TMOs)和导电聚合物，它们可以提高复合膜的导电性或增强体系赝电容。其次，一维改性材料以碳纳米管(CNTs)、碳纳米纤维(CNFs)、纤维素纤维为代表，在增强复合膜的机械柔韧性方面具有优势；然而，这些改性材料的储能活性较低甚至不活跃，导致MXenes薄膜作为超级电容器电极的电容性能提高有限。另外，一维过渡金属氧化物(1D TMOs)和金属碳化物(MC)略有不同，因为它们具有赝电容。因此，它们的参与对复合材料的电化学性能也有贡献。最后是二维改性材料，如还原氧化石墨烯(rGO)、金属有机框架(MOFs)、过渡金属硫化物(TMDs)、层状双氢氧化物(LDHs)和类石墨烯新型单原子层材料，具有比表面积大、电导率高、理论比电容大等优点，是改善MXene基复合薄膜性能的理想改性材料。目前，柔性MXene基超级电容器电极的比电容记录都是由二维材料改性的电极来保持的。

图6 （a）零维材料改性MXene（b）一维材料改性MXene（c）二维材料改性MXene

▉  研究总结  ▉

■ 未来对这种新型柔性MXene膜电极的研究主要包括以下几个方面。

(1) 薄膜材料的安全、经济和工业化大规模制备。目前应用最广泛的制备MXene的刻蚀方法都存在风险高、工艺条件苛刻、产率低等缺点。因此，它们不适合大规模的工业应用。

(2) 探索更加合理的柔性MXene基复合膜材料的维度结构设计。由于协同效应，为制备具有良好的电化学性能、高柔韧性和高稳定性的MXene基复合膜电极，组合不同维度改性材料有望成为一种有效的策略。

因此，可以合理地预期，通过不同维度材料的组合，越来越多的MXene基复合薄膜将被开发成具有理想电化学性能的柔性储能器件电极。

文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202201290