Nanoscale短综述：MXene复合材料在钠钾电中的引用

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钠和锂在元素周期表的第一组中，具有相似的物理和化学性质。地壳中金属钠含量为2.83％，居第六位，具有资源丰富，成本低的特点。因此，基于钠离子反应的SIB受到了学术界的越来越多的关注。钾的化学性质和储量与钠元素相似。地壳中钾的含量为2.09％，仅次于钠。K离子显示出较低的去溶剂能（119.2 kJ mol^-1，基于碳酸亚丙酯溶剂），并且可以形成比Li⁺（215.8kJ mol^-1）和Na⁺（158.2 kJ mol^-1）更小的溶剂化离子，扩散动力学更快。此外，在有机非水系电解质中，K/K⁺的电极电势低于Na/Na⁺的电势（-SHE为-2.93 V）。低电位有利于提高电池的能量密度。对于PIB和SIB，由于Al不会与钠或钾形成合金，因此可以将Al箔用作负极集流体，而LIB只能使用更昂贵的Cu箔作为集流体，从而进一步降低了电池成本。在电动汽车和能量存储应用的趋势下，低成本，长寿命和高能量密度的PIB受到越来越多的关注。但是，K⁺（1.38Å）的半径比Li⁺（0.76Å）和Na⁺（1.02Å）的半径大得多，这会导致反应动力学变慢，并且在充放电期间活性物质的体积膨胀大，这表明电化学快速衰减的性能，对电极和电解质材料的发展提出了新的挑战。因此，高性能负极和正极材料的设计对PIBs的开发具有重要意义。

最近，西南大学徐茂文教授课题组在国际知名学术期刊Nanoscale上发表一篇题目为：A Mini-Review: MXene composites for Sodium/Potassium-Ion Batteries的短综述，综述了MXene的最新研究现状，MXene及其复合材料在钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（PIBs）中的合成方法，性能和应用，简要介绍了SIBs，PIBs和MXene的研究背景，重点研究了MXene复合材料在SIB和PIB中的应用研究，包括按硫化物，氧化物和碳材料分类。最后，总结了MXene及其复合材料的发展和应用前景。

图1. MXene，MXene能源和石墨烯的出版记录

图2.（a）MAX相的蚀刻和分层示意图；在不同温度下用氟化物盐刻蚀的MXene（Ti₂CT_x）的FESEM图像（b）LiF + HCl+ 50℃，（c）NaF + HCl + 60℃和（d）NH₄F + KF + HCl + 40℃

图3.蚀刻后，不同类型的MAX相和相应的MXene的结构

图4. （a）用于计算M₂C，M₃C₂和M₄C₃的电子和弹性的MXene晶胞（b）F-，HO-官能和纯MXene的计算能带结构 （c）半导体特性MXene体系的能带结构 （d）聚合物-CF-MXene复合物的合成方案和（e，f）MXene复合物的热导率的比较

图5. （a）通过絮凝方法（Li⁺，Na⁺，K⁺和TBA⁺）合成M‘-c-Ti₃C₂T_xMXene，（b）具有高分辨率FESEM图像的Na⁺-c-Ti₃C₂T_x的FESEM图像和（c）HRTEM Na⁺-c-Ti₃C₂T_x的图像

图6.（a）CoS@MXene复合材料合成的示意图，（b，c）CoS@MXene复合材料的TEM图像，（d）CoS@MXene复合材料的倍率性能 （e）合成SnS₂@MXene复合材料的示意图，（f-h）分别具有1：10、1：5和1：2的SnS₂ @MXene复合材料的FESEM图像，以及（i）SnS₂@MXene复合材料的倍率性能

图7.（a）CoNiO₂@MXene电荷转移的机理，（b）FESEM图像，（c）TEM图像，以及（d）CoNiO₂@MXene和纯MXene的循环性能 （e）PDDA-BP@Ti₃C₂的合成示意图，（f）PDDA-BP@Ti₃C₂的FESEM图像，（g）PDDA-BP@Ti₃C₂和其他复合材料的循环性能（h）PDDA-BP@Ti₃C₂在1 A g^-1 时2000次循环性能

图8.（a）M-KTO或M-NTO纳米带的合成及其原子结构的示意图，（b，c）带有粉状M-KTO的M-KTO纳米带的FESEM图像，（d）HRTEM 带有SAED插图的M-KTO的图像，（e）M-KTO在0.1 mV s^-1扫描速率下的前三个CV曲线，以及（f）在不同电流密度下M-KTO的充放电曲线（g）合成MoSe₂@MXene/C复合材料示意图，（h）MoSe₂@MXene/C的倍率性能， （i）MoSe₂@MXene/C和其他不同复合材料的循环性能

本文主要介绍了MXene及其复合材料在SIB和PIB中的应用。在SIB中，对MXene和硫化物的研究很多，包括SnS，SnS₂，CoS，MoS₂等。还有一些碳材料和氧化物。但是，在PIB中，它们处于研究的早期阶段。复合材料比MXene本身具有优异的电化学性能。其中，一些制备复合材料的方法，例如设计3D多孔MXene材料，在其他领域也具有良好的应用潜力。MXene作为一种有前景的二维过渡金属碳化物/氮化物，具有很大的研究价值。本文介绍了各种电极材料与MXene的复合材料，具有优异的电化学性能，特别是在未来需要高体积能量密度的应用中。尽管如此，MXene仍面临很多挑战。在未来的研究中，我们应该研究MXene表面官能团，掺杂剂，复合材料和材料性能之间的构效关系，探索更先进，更友好的制备方法。此外，理论计算和实验相结合，探索了一种新的二维MXene；MXene材料的存储机理是未来研究的重点，化学稳定性和热稳定性对储能性能的影响也是最重要的。我们相信，随着研究的发展，MXene及其复合材料将在储能（如二次电池，超级电容器），催化（电催化，光催化）和环境领域中显示出广阔的应用前景。

文献链接：

DOI: 10.1039/d0nr04111d

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