CEJ综述：二维MXenes的进展

【研究背景】

在21世纪，人类已经很难想象一个没有各种可穿戴电子器件的世界，考虑到对于这类智能器件持续增长的能源消费需求以及日益短缺的化石能源，可以大批量储存的清洁能源系统是非常重要的。其中二次电池虽然具有可观的能量密度但是其有限的功率密度限制了其在一些特定领域的应用，与此同时，超级电容器超高的功率密度以及循环稳定性也无法抵消能量密度的不足。目前，全世界的研究者们都致力于探索同时具有高能量密度与高功率密度的新材料，其中，二维（2D）材料因其杰出的电子、机械以及光学性能，高的厚径比及其原子级的厚度，使2D材料在众多的应用领域中有着广泛的前景。除了单一原子的2D材料，如石墨烯，硅，锗烯以及磷烯，大多数包括两种或两种以上的元素，如过渡金属硫属化合物（TMDs）和水滑石结构双金属氢氧化物（LDHs），尤其是在2011年Yury Gogotsi教授课题组首次刻蚀得到的新型石墨烯状的2D材料，在近十年间得到了迅猛发展，是2D材料家族中炙手可热的新星。近日，印度技术学院N.R.Hemanth与国防高科技研究院冶金与材料工程系Balasubramanian Kandasubramanian教授在国际知名学术期刊Chemical Engineering Journal上发表综述文章，题目为：Recent advances in 2D MXenes for enhanced cation intercalation in energy harvesting Applications: A review。本综述系统总结了MXenes的合成，结构，插层，分层，性质以及纳米结构与电化学性能的关系，为2D MXenes未来的研究方向提供了一定的参考。

【图文导读】

图1. MXenes材料在过去十年间发展的时间线

图2. 不同类型MXenes材料的晶体结构，表面官能团为羟基（-OH）

表1. 不同MAX相及MXenes的合成条件以及晶格参数

图3. MXenes材料的结构侧视图，HF刻蚀得到的MXenes扫描电镜图以及原位合成HF刻蚀方法。

图4. a)通过抽滤方式得到的少层Ti₃C₂纸；b）在HF刻蚀前后的XRD图谱；c) 在高透明的基底上喷涂法制备的MXenes膜；d) -e) 单层和双层的Ti₃C₂T_x。

图5.Ti₃C₂层的6配位离子菱形晶格。

图6.各种不同MXenes的费米能级为0时的带隙。

图7.具有氧官能团的层状Ti₃C₂。b1, b2 Ti₃C₂O₂的锂化过程。c1, c2：Ti₃C₂O₂Li₂表面的额外锂层

图8. a)聚吡咯@Ti₃C₂T_x复合物的TEM图像，b) PVP-Sn@ Ti₃C₂复合物的SEM图像，c)CNT-Ti₃C₂T_x的SEM图像。e)不同电流密度下循环稳定性的测试及其相应的库伦效率。

表2. MXenes材料除能源储存以外的其他应用。

【总结与展望】

得益于防止团聚、增强电化学耐久性、提升赝电容以及改善电子电导率的协同效应MXene基电极为多样化能源储存系统打开了一扇大门。Ti₃C₂T_x 的二维形貌与界面特性可以促进许多多价态阳离子进行插层，Li离子插层近年来在锂离子电池应用中得到了广泛的关注。除Li离子以外，MXene是包括Na⁺，K⁺，NH⁴⁺，Mg²⁺ 和 Al³⁺等在内的其他阳离子通过电化学的方式进行插层的潜在宿主，可以达到超过300 F的容量，负极化的Ti₃SiC₂在不同的电流密度下都可以达到较高的面积容量。MXene与过渡金属氧化物的复合也是电极材料的理想选择之一，因其具有较高的容量，通过结合过渡金属氧化物，CNT和PPy等异质结构可以充分抑制MXene纳米片的再堆积。此外，MXene的多孔结构可以提升超级电容器的性能，除对称式超级电容器以外，其他类型的超级电容器也应该具有较好的应用前景。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123678

信息来源：MXene Frontier