研究速覽

■?近日，西安交通大學(xué)闕文修教授、深圳技術(shù)大學(xué)孔令兵教授與泰山學(xué)院高博文副教授合作在國(guó)際知名期刊Small上發(fā)表題為“Flexible MXene-based Composite Films: Synthesis, Modification and Applications as Electrodes of Supercapacitors”的綜述文章。本綜述以西安交通大學(xué)為第一單位，深圳技術(shù)大學(xué)、泰山學(xué)院為合作單位，西安交通大學(xué)電信學(xué)部博士生羅藝佳為此綜述第一作者，西安交通大學(xué)闕文修教授、深圳技術(shù)大學(xué)孔令兵教授與泰山學(xué)院高博文副教授為共同通訊作者。該文章對(duì)基于MXene的復(fù)合薄膜作為柔性儲(chǔ)能器件電極材料的合成、改性和應(yīng)用進(jìn)行了深入的總結(jié)論述。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?MXenes是一類二維平面結(jié)構(gòu)的納米材料，于2011年首次被報(bào)道合成。由于MXenes具有比表面積大、延展性好、電導(dǎo)率高、親水表面強(qiáng)、機(jī)械柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，在各種性能優(yōu)良的功能材料方面的應(yīng)用得到了廣泛的研究。本文綜述了MXene基復(fù)合薄膜作為柔性儲(chǔ)能器件電極材料的合成、改性及應(yīng)用研究進(jìn)展。在MXenes的合成中，著重介紹了刻蝕技術(shù)的發(fā)展和探索。此外，為了開發(fā)柔性MXenes基復(fù)合薄膜，從零維、一維和二維納米材料的角度分類總結(jié)了目前用于改性MXenes的主要材料，并討論了未來柔性MXenes基復(fù)合薄膜電極材料的發(fā)展前景和研究方向。

Part2

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?在MXenes的刻蝕技術(shù)上，作者將其總結(jié)為液相含氟刻蝕(刻蝕劑為HF、HCl/LiF、NaHF2、KHF2、NH4HF)，液相無氟刻蝕(電化學(xué)刻蝕)和非水相無氟刻蝕(路易斯酸熔鹽法、化學(xué)結(jié)合球磨法)。雖然液相含氟刻蝕（如HF、HCl/LiF)更有效且使用也更廣泛，但刻蝕劑具有很強(qiáng)的腐蝕性，并且通常會(huì)以不可控的方式產(chǎn)生-F、-OH和-O混雜的表面官能團(tuán)。因此，非水相無氟蝕刻技術(shù)在MXenes的安全、可控、適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)方面具有更大的研究潛力。

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?在柔性MXenes薄膜材料的合成上，已經(jīng)報(bào)道了包括輥壓、真空抽濾、旋涂、噴涂、電泳沉積、靜電紡絲、噴墨打印和機(jī)械壓制等合成手段，這其中真空抽濾法是最經(jīng)典且被普遍報(bào)道的柔性MXenes薄膜制備方法。

▉? 研究要點(diǎn)3? ▉

■由于其穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率和豐富的表面官能團(tuán)，MXenes可以結(jié)合多種組分形成復(fù)合材料，作為電極應(yīng)用于柔性超級(jí)電容器。然而，純MXenes仍有一些問題有待解決，如力學(xué)性能差、易重新堆積、橫向尺寸相對(duì)較小以及在氧化氣氛下的穩(wěn)定性差。因此，通過零維、一維、二維及其組合的多維材料對(duì)MXene進(jìn)行復(fù)合改性，能夠緩解二維MXene納米片的重新堆積，擴(kuò)大了層間距，增大離子傳輸通道，促進(jìn)材料間的快速離子傳輸。

首先，常用的零維改性材料包括金屬納米顆粒（Metal NPs）、零維過渡金屬氧化物(0D TMOs)和導(dǎo)電聚合物，它們可以提高復(fù)合膜的導(dǎo)電性或增強(qiáng)體系贗電容。其次，一維改性材料以碳納米管(CNTs)、碳納米纖維(CNFs)、纖維素纖維為代表，在增強(qiáng)復(fù)合膜的機(jī)械柔韌性方面具有優(yōu)勢(shì)；然而，這些改性材料的儲(chǔ)能活性較低甚至不活躍，導(dǎo)致MXenes薄膜作為超級(jí)電容器電極的電容性能提高有限。另外，一維過渡金屬氧化物(1D TMOs)和金屬碳化物(MC)略有不同，因?yàn)樗鼈兙哂汹I電容。因此，它們的參與對(duì)復(fù)合材料的電化學(xué)性能也有貢獻(xiàn)。最后是二維改性材料，如還原氧化石墨烯(rGO)、金屬有機(jī)框架(MOFs)、過渡金屬硫化物(TMDs)、層狀雙氫氧化物(LDHs)和類石墨烯新型單原子層材料，具有比表面積大、電導(dǎo)率高、理論比電容大等優(yōu)點(diǎn)，是改善MXene基復(fù)合薄膜性能的理想改性材料。目前，柔性MXene基超級(jí)電容器電極的比電容記錄都是由二維材料改性的電極來保持的。

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?未來對(duì)這種新型柔性MXene膜電極的研究主要包括以下幾個(gè)方面。

(1) 薄膜材料的安全、經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化大規(guī)模制備。目前應(yīng)用最廣泛的制備MXene的刻蝕方法都存在風(fēng)險(xiǎn)高、工藝條件苛刻、產(chǎn)率低等缺點(diǎn)。因此，它們不適合大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。

(2) 探索更加合理的柔性MXene基復(fù)合膜材料的維度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于協(xié)同效應(yīng)，為制備具有良好的電化學(xué)性能、高柔韌性和高穩(wěn)定性的MXene基復(fù)合膜電極，組合不同維度改性材料有望成為一種有效的策略。

因此，可以合理地預(yù)期，通過不同維度材料的組合，越來越多的MXene基復(fù)合薄膜將被開發(fā)成具有理想電化學(xué)性能的柔性儲(chǔ)能器件電極。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202201290