南京工業(yè)大學(xué)的呂玲紅課題組綜述總結(jié)了近年來應(yīng)用于電化學(xué)電容器的柔性MXene及其復(fù)合材料的最新研究進(jìn)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(xué)反應(yīng)機(jī)理。這篇綜述特別強(qiáng)調(diào)了獨立柔性MXene復(fù)合材料的復(fù)合方法。指出柔性MXene電極的最大問題是嚴(yán)重的自堆疊。因此，需要將MXene與其他電極材料復(fù)合，并設(shè)計出良好的微觀結(jié)構(gòu)。這篇綜述肯定了柔性MXene及其復(fù)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(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)和可能的改進(jìn)。
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(dǎo)電性和可設(shè)計的表面封端基團(tuán)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(shè)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(dǎo)電、自成膜特性和高的機(jī)械強(qiáng)度適合作為柔性和可穿戴設(shè)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(yán)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(dǎo)致化學(xué)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(xué)性能。為了解決這一問題，可將MXene與其他電極材料復(fù)合，打開MXene的層間距，設(shè)計合理的電極結(jié)構(gòu)能夠保證在不損失機(jī)械柔性的情況下，提升電化學(xué)性能。 柔性MXene復(fù)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(dǎo)電聚合物、金屬氧（硫化物）和纖維素類等，不同種類的復(fù)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(tuán)，如-OH、-O和-F等，電化學(xué)活性分子可以通過化學(xué)鍵或氫鍵作用連接到MXene表面。此外，這些基團(tuán)使得MXene納米片在水溶液中帶負(fù)電，通過添加帶正電的陽離子，由正負(fù)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(dǎo)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(fù)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(fù)合薄膜的比電容。 3．MXene/導(dǎo)電聚合物：由于無機(jī) MXene 和有機(jī)聚合物前體之間的協(xié)同效應(yīng)，所制備的 MXene/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，例如增強(qiáng)的導(dǎo)電性、改善的機(jī)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(dǎo)率會使復(fù)合膜的電阻和電壓降增大，從而導(dǎo)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(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 柔性MXene基復(fù)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(yīng)用中仍然面臨許多挑戰(zhàn)和問題，比如電化學(xué)性能和機(jī)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(yīng)集中在柔性超級電容器與其他電子設(shè)備的集成和多功能柔性設(shè)備的創(chuàng)建，以及MXene復(fù)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(jī)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
