Mater. Today综述：MXene基膜状材料的合理设计及其储能研究进展

喜欢就关注我们吧，订阅更多最新消息

第一作者：熊东彬博士

通讯作者：时玉萌教授、Hui Ying Yang教授

通讯单位：深圳大学、新加坡科技与设计大学

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.12.004

全文速览

二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MXenes）在储能、光电子、电磁干扰屏蔽、生物医学和传感器等领域得到广泛的研究与应用。与其他二维材料相比，MXenes具有一系列独特的性质，例如，优异的机械强度、良好的亲水性和分散性，使其适用于制备具有可设计的微观结构和可调谐纳米通道的薄膜/膜结构。二维MXene基薄膜（MXene-based films， MBFs）在电化学储能应用中表现出优异的离子存储、电子输运和离子选择性等特性，近年来引起了研究人员的广泛关注。与传统电极材料和结构相比，MBFs在柔性、可定制性和功能性等方面具有较大优势，适用于柔性、便携、集成度高的储能系统。基于此，深圳大学时玉萌教授与新加坡科技与设计大学Yang Hui Ying 教授联合撰文，在国际知名顶级期刊Materials Today上发表了题为“Rational design of MXene-based films for energy storage: Progress, prospects”的综述文章。文章综述了应用于金属离子电池（MIBs，包括Li，Na，K离子）、锂硫电池（Li-S）和超级电容器（SCs）的MBFs的设计和制造的最新进展和发展策略。重点介绍了MBFs的微结构、层间纳米通道和面内纳米通道的设计原理。最后，对MBFs应用于储能器件面临的挑战和发展前景进行了分析与展望。

背景介绍

由于MXenes具有丰富的表面化学性质和成分可调，且其拥有良好的机械强度、高的金属导电性、优异的离子吸附能力和独特的拓扑性质，MXenes在各种应用领域受到越来越多的关注。由于表面基团的负电荷性和亲水性，从MAX相蚀刻得到的MXenes很容易分散在水和有机溶剂中。这些表面基团本身就可以提供大量的活性位点，具有巨大的表面改性和高效负载活性材料的潜力。另一方面，超薄的单原子或几个原子层厚度的二维MXenes具有许多独特的物理化学性质，并伴随着过渡金属碳化物/氮化骨架的自由电子赋予的金属导电性（6000-8000 S cm-1）。这种独特的特性使得2D MXenes可以通过过滤、喷涂、逐层（LBL）组装和打印等方法进行处理，以设计功能结构和器件，特别适合作为有前景的平台或构建块，以制作具有设计的微结构和可调谐纳米通道的膜结构材料。 此外，通过孔工程，MXene膜在表面活性位点可达性、离子扩散和电磁波传输等方面都有显著改善。

在过去的十年中，通过真空过滤或喷涂技术制备的各种MBFs作为薄膜/纸状电极或功能中间层已被广泛报道用于可充电电池和超级电容器，这主要是由于：（1）具有微尺度横向尺寸、原子层厚度和优越亲水性的MXenes易于组装成MBFs；（2）MXenes具有快速的电子转移动力学，高比表面积和金属导电性使MXenes能够作为活性电极材料（硅、纳米碳材料、聚合物、金属氧化物/硫化物等）良好衬底；（3）与传统块体电极材料相比，精心设计的MBFs材料表现出了优异的力学性能，甚至可以与理论值相媲美；（4）与氧化石墨烯膜通过还原后处理得到的石墨烯膜相比，MBFs制备后可以直接使用，而不牺牲导电性； （5）MBFs比传统碳基薄膜（如石墨烯薄膜和碳纳米管薄膜）表现出更高的体积比电容，这使其更适合于柔性和可穿戴电子产品；（6）二维MXene可以减缓客体电极材料中缓慢的离子扩散和体积膨胀；（7）MBFs可以抑制锂多硫化物的穿梭。 因此，有必要系统了解MBFs的设计和制造策略，MBFs的储能设计原则，以及目前的进展和未来的前景。

本文要点

图1. MBFs代表性制备方法。

图2. MBFs的层状组装。

图3. MBFs的三维纳米通道设计。

图4. MBFs的平面内纳米通道设计。

总结与展望

尽管目前MBFs在可充电电池和超级电容器中的应用研究取得了显著的成就，但MBFs及其器件的进一步发展仍面临一些挑战：（1）MXenes对水氧敏感，在溶液处理过程中以及在空气暴露和潮湿条件下的降解/氧化仍然是实际应用的制约因素，因此，在温和的条件下控制和改性MXene表面，可以获得性能优良的MBFs。（2）大多数膜结构的制备方法还不够精细，特别是在需要大规模制备时无法精确控制MBFs内的孔径或层间间距，因此，应该仔细权衡精细控制和批量制造之间的关系。（3）MXene纳米片的LBL叠加导致的层间纳米通道弯曲低效、活性表面减少等问题仍有待解决，一些新兴的解决方案显示了克服这些限制的巨大潜力，包括降低MXene片尺寸和膜厚度，在MXene表面或薄膜中构造多孔结构，以及插入功能间隔物等。（4）MBFs及其器件的性能提升以及实际应用仍然面临挑战，通过加强基础理论研究，优化和创新制备工艺，探索柔性器件等特殊应用场景来拓展相关领域的应用研究。

作者介绍

熊东彬博士，深圳大学博士后。2019年博士毕业于中国地质大学（北京），2019年至2021年在深圳大学和新加坡科技与设计大学从事博士后研究。研究方向是高性能二次储能电池电极材料的设计、合成及储能机制研究。目前共发表SCI学术论文50余篇，以第一作者发表SCI论文10余篇，包括Mater. Today, Small, J. Mater. Chem. A, Appl. Energy等重要期刊。文章被引用3000余次，H指数27。

时玉萌，深圳大学特聘教授，博士生导师。入选2018, 2019, 2020 年科睿唯安(Clarivate Analytics) "物理类(1次)"和"材料科学类(2次)"高被引学者，2021年入选全球前2%顶尖学者，国家海外人才引进项目青年项目获得者（2016年）深圳高层次海外人才B类。2011年至2016年间，先后于美国麻省理工学院，新加坡南洋理工大学，新加坡科技与设计大学，沙特阿普杜拉国王科技大学，中国台湾中央研究院从事研究工作。长期致力于纳米光电材料、光电子器件、新能源等领域的研究。目前已发表学术论文150余篇，包括Science, Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett.等一流期刊，总引用次数23000余次。有20余篇论文单篇他人引用超过100次，H指数为49。

杨会颖（Yang Hui Ying），新加坡科技与设计大学副教授，博士生导师。2006年于新加坡南洋理工大学获得博士学位。随后获得新加坡政府授予的千禧博士后和李光耀学者奖励资助进行科研教学工作。2010年加入新加坡科技设计大学任教，于2011年在麻省理工学院机械工程系工作一年。现任英国皇家化学学会会士，美国材料学会，美国工程学会，新加坡物理学会，材料学会会员。她曾荣获多项国际科技奖项，其中包括2010年获新加坡欧莱雅女性国家科学家奖，2013年获新加坡杰出青年工程成就奖，2013年获陈嘉庚青年发明家奖，2014年获美国工程学会杰出青年奖，2018年获新加坡物理学会纳米科技奖。她主持多个国际、新加坡国家重大项目研究课题工作，主张通过功能设计、低维纳米材料的化学掺杂等方式为可持续能源和环境提供各种高效的设备和技术。迄今为止，在Nat. Commun., Matter, Adv. Mater., Energy & Environ. Sci., Chem等期刊上发表SCI论文260余篇，他引13000次, H指数63，并有多项专利。

文献来源

Dongbin Xiong, Yumeng Shi*, Hui Ying Yang*, Rational design of MXene-based films for energy storage: Progress, prospects, Materials Today, 2021, 46, 183-211.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.12.004