南京工業(yè)大學的呂玲紅課題組綜述總結(jié)了近年來應用于電化學電容器的柔性MXene及其復合材料的最新研究進展。介紹了MXene的一般合成方法，以及柔性MXene的制備和性能。從電解質(zhì)和表面端基的角度解釋了MXene的電化學反應機理。這篇綜述特別強調(diào)了獨立柔性MXene復合材料的復合方法。指出柔性MXene電極的最大問題是嚴重的自堆疊。因此，需要將MXene與其他電極材料復合，并設計出良好的微觀結(jié)構(gòu)。這篇綜述肯定了柔性MXene及其復合材料在超級電容器領(lǐng)域的巨大潛力。此外，還討論了MXene基材料在實際應用中面臨的挑戰(zhàn)和可能的改進。
MXene材料是一類具有二維層狀結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳/氮化物。其有類似于石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)，但更有過渡金屬碳化物的金屬導電性和可設計的表面封端基團多樣性。其形成碳氮化物和固溶體的能力表明，可能存在無限數(shù)量的成分，并開啟了二維材料計算驅(qū)動原子設計的新時代，被業(yè)界稱為“三頭六臂”的非凡材料。MXene材料有一項特殊本領(lǐng)，其高導電、自成膜特性和高的機械強度適合作為柔性和可穿戴設備的無集電體、免粘結(jié)劑的獨立式電極。 然而，柔性MXene電極的最大問題是嚴重的自堆積，不論是MXene薄膜還是纖維，在形成宏觀結(jié)構(gòu)的過程中都會產(chǎn)生自堆疊現(xiàn)象，即二維片層堆積，從而導致化學活性位點減少，電解質(zhì)離子的可及性下降，最終降低電化學性能。為了解決這一問題，可將MXene與其他電極材料復合，打開MXene的層間距，設計合理的電極結(jié)構(gòu)能夠保證在不損失機械柔性的情況下，提升電化學性能。 柔性MXene復合材料從微觀結(jié)構(gòu)可分為插層型薄膜、多孔薄膜和纖維結(jié)構(gòu)，用于打開層間距的有界面分子（離子）、碳基材料、導電聚合物、金屬氧（硫化物）和纖維素類等，不同種類的復合物具有不同的特點： 1．MXene/界面分子（離子）：MXene納米片的表面具有可調(diào)控的官能團，如-OH、-O和-F等，電化學活性分子可以通過化學鍵或氫鍵作用連接到MXene表面。此外，這些基團使得MXene納米片在水溶液中帶負電，通過添加帶正電的陽離子，由正負電荷互相吸引，形成插層結(jié)構(gòu)。 2．MXene/碳基材料：利用碳材料作為間隔物打開MXene層間距，可以在不降低MXene原始電導率的情況下增加活性位點。但是，由于碳材料通過EDLC儲存電荷，復合薄膜的比電容受到比表面積的限制，因此很難顯著提高復合薄膜的比電容。 3．MXene/導電聚合物：由于無機 MXene 和有機聚合物前體之間的協(xié)同效應，所制備的 MXene/導電聚合物復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，例如增強的導電性、改善的機械性能和熱穩(wěn)定性。 4．MXene/金屬氧化物（硫化物）：具有贗電容特性，能提供更大的比電容，但其低電導率會使復合膜的電阻和電壓降增大，從而導致倍率性能和循環(huán)性能下降。 5．MXene/纖維素類：由于相鄰MXene納米片之間的界面相互作用不佳，大多數(shù)原始MXene薄膜都很脆。納米纖維的加入不僅起到了層間納米分隔物的作用，更重要的是提高了材料的機械強度和穩(wěn)定性。 柔性MXene基復合材料在超級電容器中具有巨大的潛力，并在過去幾年中取得了驚人的突破。但在未來的研究和實際應用中仍然面臨許多挑戰(zhàn)和問題，比如電化學性能和機械柔性難以兼顧；在水系電解質(zhì)中比電容大，但電壓窗口偏小。未來的相關(guān)研究應集中在柔性超級電容器與其他電子設備的集成和多功能柔性設備的創(chuàng)建，以及MXene復合材料與電解質(zhì)的匹配。還需要將實驗與理論計算相結(jié)合，更深入地了解MXene在非水性電解質(zhì)中的儲能機理。 論文信息 Recent Advances of Flexible MXene and its Composites for Supercapacitors Shiben Jiang, Prof. Linghong Lu, Yan Song Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202304036
