《ASN 前沿报道》：3D MXene架构，以实现高效的能源存储和转换

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摘要

二维过渡金属碳化物和/或氮化物（MXenes），具有高导电性、丰富的表面官能团和优异的分散性，越来越受到关注并表现出竞争力能源存储和转换应用中的性能。然而，像其他2D 材料，MXene 纳米片倾向于通过范德华堆叠在一起相互作用，导致活性位点数量有限，离子动力学缓慢，最后是 MXene 材料/器件的普通性能。构建二维MXene 纳米片进入 3D 架构已被证明是一种有效的减少重新堆叠的策略，从而提供更大的比表面积，更高的孔隙率以及比正常 1D 和 2D 更短的离子和质量传输距离结构。在这篇综述中，3D 制造的常用策略总结了 MXene 架构（3D MXene 和基于 3D MXene 的复合材料），例如模板、组装、3D 打印等方法。特别的3D MXene 的结构-性能关系也受到关注结构及其在电化学能量存储和转换中的应用，包括超级电容器、可充电电池和电催化。

创新点

• 制备三维MXene结构的方法主要包括模板法、组装法、3D打印法等。这些方法可以有效抑制MXene纳米片的重新堆叠,构建出大比表面区域、高孔隙率的三维MXene结构。

• 三维MXene结构具有以下优点:抑制了MXene片层间的重新堆积,从而暴露出更多的活性位点;多孔结构有利于电解质的快速扩散;MXene的高导电性使其在多孔网络中能够快速传递电荷载流子;丰富的表面官能团可用于锚定不同的有机或无机物质,构建功能复杂的三维结构。

• 在超级电容器方面,三维MXene电极具有更好的倍率性能,循环稳定性也得到明显改善。与普通的一维、二维MXene材料相比,三维MXene复合材料的电化学性能也有较大提升。

• 在锂离子电池方面,三维MXene电极具有更高的比容量、更好的倍率性能和更长的循环稳定性。与过渡金属氧化物或硫化物组成的三维MXene复合材料,电化学性能得到进一步提升。

• 三维MXene结构在钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池等非锂电池方面也展现出良好的储能性能。

• 在锂硫电池方面,三维MXene网络可有效抑制多硫化物的溶解和扩散,明显改善了电池的循环稳定性。

• 在电催化方面,三维MXene具有较大的活性面积、丰富的表面官能团和高导电性,可作为高效的电催化剂。

图文参考

图1.  制备3D MXene结构的各种制造策略示意图

总结

本文综述了三维MXene结构的制备及其在电化学储能和转换中的应用进展。各种制备方法，包括模板、组装、3D打印等途径，已经被开发出来，用于制造不同种类的3Dmx烯及其纳米复合材料。由于MXene纳米片的重新堆积被有效地抑制，电化学反应暴露了更多的活性位点。三维多孔结构和高电导率也为高效的电子和离子传输提供了互穿途径。因此，3D MXene结构在电化学储能和转换方面比其他2D材料表现出更高的性能。

文献来源：DOI: 10.1002/adfm.202000842