CSC综述：MXene界面结构设计与功能化处理

【研究背景】

过渡金属碳/氮化物(MXene)作为一近年来发展迅猛的二维层状结构的材料，具有诸多的优点，如超高的导电性，可控的层状结构，小带隙以及具有氧化活性的功能化表面等作为最具潜力的储能材料之一得到了研究者们非常广泛的关注。MXene的合成方法，结构设计以及表面的化学反应直接影响着其电化学性能。近日，浙江工业大学张文魁教授在国际能源类著名学术期刊ChemSusChem上发表综述文章: Two-Dimensional MXene-Based Energy Storage Materials: Interfacial Structure Design and Functionalization。本综述对MXene及MXene基储能材料的界面结构设计与功能化处理，以及其结构特性与表面的化学反应机理对其在电化学性能上的影响进行了系统地总结。除此之外，还详细地总结了结构特性与界面结构、官能团以及层间距的关系对储能性能的影响。最后为先进的MXene基储能材料所面临的科学与技术上的巨大挑战提供了未来的研究方向。

【图文导读】

图1 MXenes在能源储存与转化领域的应用中，所使用的典型的合成方法，结构设计与功能化处理方式。

图2 氢氟酸的刻蚀机理图。

图3 MXene及MXene基储能材料的结构设计与功能化处理方式的汇总。

 图5 a) PVP-Sn(VI)@Ti₃C₂; b) CTAB-Sn(VI)@Ti₃C₂;c) CT-Sn(II)@Ti₃C₂ 三种MXene材料的微观结构与电化学性能。

图6 a)多孔MXene/CNT电极的制备过程; b)Ti₃C₂T_x/CNT-SA的SEM图像; c) Ti₃C₂T_x/CNT-SA在0.1mV s^-1的扫描速率下非扩散控制过程(k₁v);d) 体积比容量与质量比容量的倍率性能; e) Na⁺与电子在MXene/CNT-SA 多孔电极中的扩散与转移。

【总结与展望】

      作为一类新颖的储能材料，MXene及MXene基电极材料的电化学性能主要取决于结构与界面特性。因此，本文详细论述了界面结构设计与电化学性能的关系。结构与界面的设计主要包括以下三种方式: (1) 扩大层间距；(2) 表面官能团的优化; (3) 功能复合物的修饰。较大的层间距，低含量-F基官能团与高含量的-O基官能团会促进储能能力，进而提升电化学性能。通常来讲，无论是表面官能团的控制还是功能复合物的修饰都往往伴随着层间距的扩大。

      尽管在储能领域有很大的应用前景，MXene和MXene基电极材料的研究仍处于起步阶段，在未来达到实际大批量生产的要求还有很长的路要走。对MXene基材料的在绿色、高效以及可控合成的条件下进行合理化界面结构设计与功能化处理仍然是巨大的挑战。对于未来的研究，本文认为应将研究重点聚焦在以下几个方面：(1) 具有纳米级缺陷的大尺寸片层的高质量MXene材料在温和安全的刻蚀条件的探究，还需考虑低成本与高产出等因素，这对于工业化生产具有深远意义。(2) MXene的官能团之间的相互关系与作用（如-O, -OH 和-F), 以及其对电化学性能的影响还处于认知阶段，需要深入系统地的研究。(3) MXene的化学与热学稳定性可能会对其储能行为产生巨大影响，这方面需要进一步的研究。

文献链接：

http://dx.doi.org/10.1002/cssc.201902537

消息源：微信公众号 MXene Frontier