MXene在超级电容器与二次电池中的应用综述
2011年首次通过刻蚀MAX相前驱体制备的MXenes是一类新兴二维材料，具有结构和成分多样性，以及优良的电导率和亲水性。这些优势性能组合使其在二维材料中脱颖而出，在诸多重要新技术领域有巨大前景，特别是新一代智能系统所要求的能量存储技术，如图1所示。
自其诞生以来，人们不断报道新制备策略的同时，也发现新的组成和结构，这无疑将有助于了解并拓展其基本性质，扩大应用范围。在能量存储相关应用方面，为克服MXenes固有局限，通过掺杂、结构调整和复合材料制备等途径取得了长足发展，其应用已取得显著研究成果（高引用论文关键词如图2）。
日前，东南大学孙正明课题组许雪芹硕士生在Materials Report: Energy上发表以“MXenes with applications in supercapacitors and secondary batteries: A comprehensive review”为题的综述，梳理MXenes在超级电容器和二次电池等领域的最新进展。系统总结MXenes制备策略的发展现状及其在超级电容器、金属离子电池和锂硫电池中的应用进展，并列表举例MXenes在超级电容器、金属离子电池和锂硫电池中的典型应用工作，以供参考和比较。
图 1MXenes在储能领域中的应用
图 2MXene基储能材料高被引论文关键词网络
MXenes制备方法一般可分为自上而下和自下而上两类（图3）。自下而上的制备包括化学气相沉积(CVD)，盐模板和激光沉积等,这些自下而上的方法可制得横向尺寸大、缺陷少、化学成分目前尚未通过蚀刻获得的高质量MXenes，从而极大地推动对MXenes的研究，但是单层MXenes还未能通过这些策略制备。而自上而下制备方法，不同于大多数其他二维材料的制备，MXenes是通过选择性蚀刻M与A原子在MAX相中的主键，然后化学剥离制得。这种方法的优点是产率高、效率高等。
图 3MXenes合成方法 (a)熔盐蚀刻，(b)改性氟基酸蚀刻，(c)化学气相沉积，(d)无氟蚀刻
超级电容器具有功率密度高、充电速度快、循环寿命长、环保等优点，是便携式数码产品和电动汽车的理想电源。基于MXene的电极（如图4），尤其是由其制成的自支撑薄膜，在超级电容器和柔性电子器件方面有着广阔的应用前景。
图 4 通过不同策略改善MXenes超级电容器电化学性能示意图
如图5所示，为提高金属离子电池用MXenes电极的电化学性能，已开发包括表面改性、插层和复合在内的多种改性策略。
图 5 用于(a)锂离子电池，(b)钠离子电池，(c)钾离子电池的MXene基复合材料
得益于电导率高，结构多样，对多硫化物具有较强的化学吸附能力，对快速动力学的有效催化作用，对锂均匀生长的诱导作用，MXenes在高性能锂硫电池的硫宿主材料（图6），改性隔膜（图7），锂电极方面具有良好的应用前景。
图 6MXene基高性能锂硫电池硫宿主材料
图 7MXene基高性能锂硫电池隔膜材料
MXenes的主要研发方向如下。(1)全面了解MXenes电极的电化学储能机理，包括表面官能团的影响。(2)在储能机理和合理设计的基础上，寻求具有高比容量的MXene基材料。(3)对于不同于Ti3C2Tx组成和结构的MXenes，还有更多探索空间。(4)为促进其商品化，需要开发成本低、效率高、更安全、更环保的制备路线，对其氧化行为进行更多研究，以解决其易氧化问题。(5)柔性透明电极是下一代电子产品的关键，MXenes在该领域具有巨大的潜力。
文献详情
Xueqin Xu, Li Yang, Wei Zheng, Heng Zhang, Fushuo Wu, Zhihua Tian, Peigen Zhang*, Zhengming Sun**, MXenes with applications in supercapacitors and secondary batteries: A comprehensive review, Materials Reports: Energy, DOI: 10.1016/j.matre.2022.100080.
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.matre.2022.100080