摘要

二維過渡金屬碳化物和/或氮化物（MXenes），具有高導(dǎo)電性、豐富的表面官能團(tuán)和優(yōu)異的分散性，越來越受到關(guān)注并表現(xiàn)出競爭力能源存儲和轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的性能。然而，像其他2D 材料，MXene 納米片傾向于通過范德華堆疊在一起相互作用，導(dǎo)致活性位點數(shù)量有限，離子動力學(xué)緩慢，最后是 MXene 材料/器件的普通性能。構(gòu)建二維MXene 納米片進(jìn)入 3D 架構(gòu)已被證明是一種有效的減少重新堆疊的策略，從而提供更大的比表面積，更高的孔隙率以及比正常 1D 和 2D 更短的離子和質(zhì)量傳輸距離結(jié)構(gòu)。在這篇綜述中，3D 制造的常用策略總結(jié)了 MXene 架構(gòu)（3D MXene 和基于 3D MXene 的復(fù)合材料），例如模板、組裝、3D 打印等方法。特別的3D MXene 的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系也受到關(guān)注結(jié)構(gòu)及其在電化學(xué)能量存儲和轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用，包括超級電容器、可充電電池和電催化。

創(chuàng)新點

• 制備三維MXene結(jié)構(gòu)的方法主要包括模板法、組裝法、3D打印法等。這些方法可以有效抑制MXene納米片的重新堆疊,構(gòu)建出大比表面區(qū)域、高孔隙率的三維MXene結(jié)構(gòu)。

• 三維MXene結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點:抑制了MXene片層間的重新堆積,從而暴露出更多的活性位點;多孔結(jié)構(gòu)有利于電解質(zhì)的快速擴(kuò)散;MXene的高導(dǎo)電性使其在多孔網(wǎng)絡(luò)中能夠快速傳遞電荷載流子;豐富的表面官能團(tuán)可用于錨定不同的有機(jī)或無機(jī)物質(zhì),構(gòu)建功能復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

• 在超級電容器方面,三維MXene電極具有更好的倍率性能,循環(huán)穩(wěn)定性也得到明顯改善。與普通的一維、二維MXene材料相比,三維MXene復(fù)合材料的電化學(xué)性能也有較大提升。

• 在鋰離子電池方面,三維MXene電極具有更高的比容量、更好的倍率性能和更長的循環(huán)穩(wěn)定性。與過渡金屬氧化物或硫化物組成的三維MXene復(fù)合材料,電化學(xué)性能得到進(jìn)一步提升。

• 三維MXene結(jié)構(gòu)在鈉離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池等非鋰電池方面也展現(xiàn)出良好的儲能性能。

• 在鋰硫電池方面,三維MXene網(wǎng)絡(luò)可有效抑制多硫化物的溶解和擴(kuò)散,明顯改善了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

• 在電催化方面,三維MXene具有較大的活性面積、豐富的表面官能團(tuán)和高導(dǎo)電性,可作為高效的電催化劑。

圖文參考

總結(jié)

本文綜述了三維MXene結(jié)構(gòu)的制備及其在電化學(xué)儲能和轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用進(jìn)展。各種制備方法，包括模板、組裝、3D打印等途徑，已經(jīng)被開發(fā)出來，用于制造不同種類的3Dmx烯及其納米復(fù)合材料。由于MXene納米片的重新堆積被有效地抑制，電化學(xué)反應(yīng)暴露了更多的活性位點。三維多孔結(jié)構(gòu)和高電導(dǎo)率也為高效的電子和離子傳輸提供了互穿途徑。因此，3D MXene結(jié)構(gòu)在電化學(xué)儲能和轉(zhuǎn)換方面比其他2D材料表現(xiàn)出更高的性能。

文獻(xiàn)來源：DOI:?10.1002/adfm.202000842