MXenes是一種具有相對(duì)較高比表面積，高導(dǎo)電性，功能化過渡金屬表面，可控表面化學(xué)以及溶液可加工性的2D材料。得益于這些性能，2D MXenes作為儲(chǔ)能器件的電極材料吸引了廣泛的關(guān)注，包括具有高功率與能量密度的電化學(xué)電容器。然而，許多研究表明，MXene電極的電化學(xué)性能在很大程度上受結(jié)構(gòu)與形貌的影響。這些性質(zhì)在很大程度上受2DMXene的組裝方法控制。一個(gè)成功的電機(jī)組裝方法應(yīng)該可以解決很多問題，如2D片的重堆疊，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生高離子傳輸性能，導(dǎo)電性與機(jī)械穩(wěn)定性的電極結(jié)構(gòu)與形貌。近日，美國奧本大學(xué)Majid Beidaghi教授在國際知名學(xué)術(shù)期刊?Advanced Functional Materials上發(fā)表題目為：?A Review of the Effects of Electrode Fabrication and Assembly Processes on the Structure and Electrochemical Performance of 2D MXenes?的綜述文章，總結(jié)了MXene基電極的組裝方式的研究進(jìn)展，需要解決的主要挑戰(zhàn)以及在未來用于實(shí)際儲(chǔ)能應(yīng)用的潛在發(fā)展方向。

圖1.?MXene基復(fù)合材料電極的組裝方式總結(jié)。

圖2.?MXene膜中納米片尺寸對(duì)離子擴(kuò)散路徑的影響以及截面SEM圖像; MXene@CNT復(fù)合膜的XRD圖譜與電化學(xué)性能測(cè)試。

圖3.?MXene/CNT膜的制備流程以及電化學(xué)性能測(cè)試。

圖4.?MXene表面原位沉積聚合物：PP，PANI。

圖5.?過渡金屬復(fù)合物/MXene復(fù)合電極的電化學(xué)性能測(cè)試與TEM圖像。

表1?通過不同組裝方式制備的MXene基電極的電化學(xué)性能總結(jié)。

圖6.?通過陽離子驅(qū)動(dòng)組裝方式制備的高穩(wěn)定性V2CTz電極的制備流程，實(shí)物圖與電化學(xué)性能測(cè)試；NiCoP/Ti3C2復(fù)合電極的電化學(xué)性能測(cè)試與形貌表征。

圖7.?通過噴涂法制備的MXene@石墨烯復(fù)合膜的制備方法與電化學(xué)性能測(cè)試。3D MXene@TAEA復(fù)合電極用于全固態(tài)超級(jí)電容器的制備流程與電化學(xué)性能測(cè)試。

圖8.?通過3D打印技術(shù)制備具有集成結(jié)構(gòu)的微型超級(jí)電容器以及相應(yīng)的電化學(xué)性能測(cè)試。3D MXene氣凝膠的制備及其電化學(xué)性能測(cè)試。

MXenes獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)使其在很多應(yīng)用中具有很廣泛的前景。然而，對(duì)于每一類應(yīng)用，有利結(jié)構(gòu)的2D MXene的組裝是充分利用這些材料性能的關(guān)鍵。比如對(duì)于儲(chǔ)能應(yīng)用來說，阻止2D MXene納米片的重堆疊是非常關(guān)鍵的一個(gè)問題，因?yàn)镸Xenes或其他2D材料的重堆疊問題可以極大地減小活性比表面積并阻礙電解液離子的傳輸，減弱了電化學(xué)反應(yīng)。因此，MXene電極的結(jié)構(gòu)工程可以幫助研究者們實(shí)現(xiàn)片與片之間的相互連接，這些片與片具有大量的孔隙率和可達(dá)到的層間距，這對(duì)于實(shí)際來說至關(guān)重要。

此外，得益于MXene的高導(dǎo)電性，相互連接的MXene片可以在電極結(jié)構(gòu)中提供電子傳輸路徑。然而，具有多孔性和擴(kuò)大的層間距的電極通常會(huì)具有較低的密度，這會(huì)降低其體積容量與能量密度。因此，在電極設(shè)計(jì)過程中，我們需要平衡孔徑與層間距以及電極密度三者之間的關(guān)系。

將MXenes與其他具有電化學(xué)活性的納米材料復(fù)合被證明是一種制備高性能電極材料的有效方式。比如MXene與2D TMO異質(zhì)結(jié)可以結(jié)合TMO的高比電容以及MXenes的高導(dǎo)電性。同時(shí)，二者可以有效地防止聚集與重堆疊，會(huì)使電容與倍率性能得到改善。然而，在一些情況下，異質(zhì)結(jié)或復(fù)合電極的合成會(huì)引入額外的一些缺陷。

由于大多數(shù)MXene合成方法都會(huì)產(chǎn)生水性分散液，因此濕化學(xué)方法經(jīng)常用于合成MXene基復(fù)合材料。這其中，堆疊是合成復(fù)合材料的共有問題。使用合適的表面活性劑或許是解決這一問題的實(shí)際解決方案，可以通過使用靜電吸附來制備和設(shè)計(jì)復(fù)合材料的形貌。然而，在這類過程中，如何除去剩余的表面活性劑是一個(gè)很大的問題。

MXene復(fù)合物作為電池的電極材料時(shí)，MXene主要是作為一種支撐電化學(xué)活性更高的材料的導(dǎo)電骨架，設(shè)計(jì)成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可以承受納米顆粒在嵌入和脫嵌過程中的體積膨脹，這是非常重要的考量。主要的挑戰(zhàn)在于控制復(fù)合材料的孔徑尺寸以及形貌，保證納米顆粒在MXene表面均勻的分布。

文獻(xiàn)鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202005305

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