北科納米可提供MXene（可定制）

在過去的幾年中，關于下一代電池技術（超越鋰離子電池）的研究得到了快速的發(fā)展。對于這些新興的電池而言的關鍵挑戰(zhàn)在于缺乏合適的電極材料，這嚴重地限制了它們進一步的發(fā)展。MXenes，作為了一類新型的2D 過渡金屬碳化物/氮化物/碳氮化物，以其一些理想的特性被認為是這些新興電池的具有潛力的電極材料。較大并可控的層間距，卓越的親水性，超高的導電性，合成的多樣性以及豐富的表面化學，這些特性不僅僅使MXenes可以作為有潛力的電極材料，還可以作為新興電池中的其他部分。最近，沙特阿卜杜拉國王科技大學Husam N. Alshareef教授在國際頂級材料期刊Advanced Materials上發(fā)表了一篇題目為MXenes for Rechargeable Batteries Beyond the Lithium-Ion綜述文章，總結了MXenes在各類可充電電池中的研究進展，包括堿金屬離子電池（Na+, K+），多價離子（Mg2+，Zn2+和Al3+）電池等。尤其是合成策略與MXenes在電池中的不同角色，如電極，金屬負極的保護層，硫宿主，隔膜改進以及導電添加劑等等，并對未來的發(fā)展進行了展望。

圖1.?MAX及MXene的構成。

表1.?兩種合成MXenes的方法以及實驗參數(shù)。

圖2.?不同的刻蝕方法。

圖3.?Ti4N3Tx的熔融鹽法刻蝕；ZnCl2熔融鹽法刻蝕Ti2C2Cl2；路易斯酸熔融鹽刻蝕MAX相。

表2.?不同刻蝕方法的總結。

圖4.??Nb2CTx的合成。

表3.?不同MAX相以及MXenes晶格參數(shù)的總結與比較。

圖5.?MXenes在鋰硫電池應用中的理論計算。

圖6.?N-Ti3C2Tx@S電極的制備過程。

圖7.??3D，多孔及褶皺狀的MXene制備過程。

圖8.??MXene@金屬（Sb, Bi和Sn）柔性自支撐電極。

圖9.?一些典型的MXene基電極的制備過程。

MXenes材料的高導電性與豐富的表面化學特性，在電池中充當不同的角色都具有很大的潛力。雖然，在近些年有關MXenes的研究已經(jīng)取得了很大的進展，然而一些挑戰(zhàn)依然存在，亟待研究人員解決。

1）目前MXene主要的合成方法都要使用HF，這對于實驗人員來講是有害且有毒的。探索低成本，高效且環(huán)境友好的刻蝕方法，且使用比HF更安全的其他刻蝕劑對于大規(guī)模高質量的MXene制備尤為重要。其中，Lewis酸熔融鹽法以及電化學方法就是非常有前景的方式。此外，合成方法還會影響MXene材料的導電性，探索對環(huán)境有較小影響的新的刻蝕劑可以進一步提升MXene的導電性。

另一方面，自下而上的方法（如CVD）可以有效地直接合成金屬碳化物，因此也可能是合成高質量MXene的有前景的新方法。

2）MXenes豐富的表面化學對如電化學性能等方面有著重要的影響。這些官能團可以選擇性地與特定化合物反應，因此影響儲能性能。對表面官能團的控制仍舊是一項挑戰(zhàn)。謹慎選擇刻蝕劑以及刻蝕方法會有所幫助。

3）MXenes在空氣中和水中通常會遭受快速氧化的問題。一方面，表面氧化物會提升電化學活性，然而在另一方面，其導電性會降低，并且對MXene內在性質的研究帶來復雜性。

4）MXene基電極通常展示出贗電容特性。因其具有高電子導電性，MXene電極通常展示出了杰出的倍率性能，因為是混合型離子電容器的理想選擇。

5）盡管MXenes已經(jīng)在儲能領域得到了深入的研究，在不同儲能器件（尤其是K+/Zn2+/Al3+電池等）的離子動力學與電荷儲存行為還不夠全面。這有助于MXene基電極的設計與優(yōu)化。

6）雖然已經(jīng)有超過30種MXenes已經(jīng)在實驗室中被合成出來，但研究最深入的依舊是第一個MXene，Ti3C2Tx，盡管展示出了獨特和有潛力的特性，但是并不意味著它對于所有應用中都是最好的選擇。

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DOI:10.1002/adma.202004039