南开大学周震：MXene二维材料在电化学储能中的应用-北极星储能网

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【引言】

自二维石墨烯成功制备以来，二维材料由于其优异的物理化学性质，引起了国内外学术界的广泛关注。至此，多种二维材料在实验上被成功制备。然而，多数二维单层材料是通过剥离层间由范德华力连接的层状固体制得。而层间由较强化学键连接的非范德华固体的剥离有较大难度。2012年，美国Drexel大学Gogotsi教授课题组设计了一种巧妙的方法，成功从非范德华固体MAX相剥离出新的二维材料MXene(ACS Nano, 2012, 6, 1322)。其中MAX相材料的组成通式为Mn+1AXn(n = 1-3)，M表示前期过渡金属(Ti, Sr, V, Cr, Ta, Nb, Zr,Mo, Hf)，A代表第三或第四主族元素(Al, Ga,In, Ti, Si, Ge, Sn, Pb)，X代表C或N。

这类材料包含60多种三元碳化物或氮化物，兼具金属和陶瓷性质，例如超高的硬度和熔点，良好的导电导热性。这些优异的性质使MAX应用在各种领域。MAX相拥有独特的纳米层状晶体结构，可视为由六角MX层与密堆积平面A原子层沿c轴交替堆叠而成。然而，与石墨等范德华固体所不同的是，其层间由较强的化学键连接。因此，想要从MAX相中分离出MX层状材料绝非易事。难以像石墨烯那样简单通过机械剥离直接获得。

所幸的是，与由强共价键结合的MX层相比，A原子层结合力相对较弱，因此可以通过化学方法削弱A层作用力。最早是将MAX相材料Ti3AlC2置于50%的HF溶液中常温反应两小时(Ti3AlC2+ 3HF = AlF3+3/2H2 + Ti3C2)，之后在甲醇溶液中超声，便可选择性去除Al原子层，实现Ti3C2层的剥离。由于氢氟酸等刻蚀剂的存在，分离出的Ti3C2表面易被O、OH或F官能团所饱和。由于是从MAX相中剥离，并且其结构和性质上与石墨烯有一定的相似性，因此又被叫做MXene。作为一类新型二维层状材料，MXene材料的基本性质和应用研究引起了广泛关注。

【成果简介】

由于MXene材料的二维特性以及优异的导电性，使得他们在电池或者电容器等电化学储能器件中展示出优异的性能。近年来，许多新型MXene材料被成功合成，并在储能领域有着井喷式的发展，取得很多重要的突破。因此，急需总结近年来MXene合成方法的进展和在储能领域的新应用。南开大学周震课题组撰写了一篇相关综述，并对MXene在电化学储能领域的前景和挑战进行了讨论。该综述以“MXene-based materials for electrochemical energy storage”为题发表于2017年8月12日的Journal of Energy Chemistry上，现已被引用20多次，入选ESI近两年热点论文。

Fig. 1. MAX相及对应的MXene在选择性刻蚀后的晶体结构

Fig. 2. (a) 有序双M碳化物，从MAX相刻蚀得到的Mo2TiC2以及Mo2TiAlC2的示意图; (b) Mo2TiAlC2和(c) Mo2TiC2Tx的SEM图; (d) Mo2TiAlC2和(e) Mo2TiC2Tx的HRSTEM图; (f) Mo2TiC2Tx的低倍TEM图; (g) 利用熔盐法从Ti4AlN3得到Ti4N3Tx的流程图

Fig. 3. (a) F终止和(b) OH终止Ti3C2的侧面图; (c)F终止I型和II型Ti3C2的俯视图.

Fig. 4. (a) PVP-Sn(IV)@Ti3C2纳米复合物的制备流程; (b) 样品在216.5 mA⋅cm−3 (100 mA⋅g−1)条件下的循环性能和库伦效率; PVP-Sn(IV)@Ti3C2在500 m⋅Ag−1条件下的(c)倍率性能和(d)循环性能.

Fig. 5. (a) Nb2CTx的分层制备过程; (b) Nb2CTx/CNT 纸电极的循环稳定性和倍率性能.

Fig. 6. (a) 初始两次循环时的层间距和层间Na的数量; (b) Na+嵌入Ti3C2Tx层中的机理图.

Fig. 7. (a) 修饰MXene的示意图; (b) 在1 M H2SO4中1 mV⋅s−1条件下的循环伏安曲线; (c)容量比较; (d) 1M H2SO4中400-KOH-Ti3C2电极的容量保持测试，插图：1 A⋅g−1条件下的恒电流循环数据

【小结】

本文对MXene合成方法的进展及其在储能领域的新应用进行了总结，并对MXene在电化学储能领域的前景和挑战进行了讨论，尽管MXene在电化学储能领域取得了巨大的突破，但是，人们在MXene的制备及应用方面要想取得更大的进步依然有很长的路要走。

文献链接：MXene-based materials for electrochemical energy storage(J. Energy Chem., 2018,DOI：10.1016/j.jechem.2017.08.004)

原标题：南开大学周震J. Energy Chem. ESI热点文章：MXene二维材料在电化学储能中的应用

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