岳阳副教授、马亚楠副教授，AFM文章：受自然启发的互连的大-介-微孔MXene电极

第一作者：王梦洁，程永发

通讯作者：岳阳*，马亚楠*

单位：安徽大学，湖北汽车工业学院&武汉理工大学

过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（MXenes），凭借优异的金属导电性、丰富的表面官能团、出色的机械稳定性、高生物相容性和微结构可调性等特性在众多应用领域中脱颖而出，包括但不限于电化学储能。

但由于MXene独特的层状结构和纳米片层间的强范德华作用力，导致MXene易堆叠，在某些狭窄的通道内产生有限的离子扩散路径，从而限制了电解质离子的可及性和传输效率，进而影响了MXene的电化学性能。由其产生的低面积能量密度也无法提供充足的能量来长时间驱动微纳器件。

相关研究发现，MXene的电化学储能可通过孔结构调控工程得到进一步开发。然而，目前的研究大多集中在单尺度孔隙结构（如宏观大孔、介孔和微孔等方面）的性能优化。本文借鉴自然界普遍存在的默里定律，采用物理插层法、化学法造孔和气体发泡技术，构建了分级互连的微-介-大孔MXene电极。此外，本文为电极材料（包括但不限于MXene）实现超短的离子扩散通道和最大的传输效率提供了一个有效的策略，可用于下一代高性能能量存储。

基于此，来自安徽大学的岳阳副教授与湖北汽车工业学院&武汉理工大学的马亚楠副教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Nature-Inspired Interconnected Macro/Meso/Micro-Porous MXene Electrode”的研究文章。该研究文章借鉴自然界普遍存在的默里定律，构建了分级互连的微-介-大孔MXene电极。同时该文为电极材料，包括但不限于MXene，实现超短的离子扩散通道和最大的传输效率提供了一个有效的策略，可用于下一代高性能能量存储。

作者借鉴自然界普遍存在的默里定律，采用物理插层法、化学法造孔和气体发泡技术，构建了分级互连的微-介-大孔MXene电极。逐步优化后的MXene电极提供了大量的电化学活性位点，极大地缩短了电解质离子的扩散路径，提高了电解质离子的传输效率。采用激光雕刻技术获得MXene电极的叉指结构，再采用电化学沉积法镀锌，最后组装成柔性锌离子微电容器（ZIMCs）。

图1. 电极材料和ZIMCs的制备。

要点二：电极材料和ZIMCs的相关表征

作者通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）对MAX相、MXene薄膜、PM薄膜、PM/CNF薄膜和PM/CNF泡沫进行了形态和结构表征。MXene纳米片和PM纳米片的SEM图像都展示出明显的二维结构，表明原始层状前驱体中的Al层已被完全蚀刻。

通过比较MXene和PM纳米片的TEM图像，可发现PM纳米片在化学造孔后产生了大量的面内介孔。选区电子衍射（SAED）显示，MXene和PM纳米片均为六方晶体结构。整个PM纳米片的能量色散谱图（EDS）表明，C、Ti、O和F元素的存在及其均匀分布。此外，MXene薄膜、PM薄膜、PM/CNF薄膜和PM/CNF泡沫均具有出色的机械强度。

图2. 电极材料和ZIMCs的相关表征。

要点三：跨三尺度级别（微-介-大孔）的分级互连多孔MXene电极结构的研究

作者以自然生物体的高度分级互连孔结构为灵感，设计了跨微-介-大孔三个尺度级别的分级互连多孔MXene电极。作者分别讨论了在单一尺度、跨两尺度和跨三尺度情况下的离子传输行为。通过还原气体发泡实验过程、X射线衍射（XRD）光谱分析和X射线光电子能谱（XPS）谱图分析，详细探讨了本文构建MXene三维结构所采用的气体发泡技术。

图3. 跨三尺度级别（微-介-大孔）的分级互连多孔MXene电极结构的研究。

要点四：ZIMCs的电化学性能测试

作者对基于MXene薄膜、PM薄膜和PM/CNF泡沫的ZIMCs分别进行了CV、GCD、EIS和抗自放电测试。研究发现，基于PM/CNF泡沫的ZIMC具有优异的储能性能。而且由基于PM/CNF泡沫的ZIMC的抗自放电性能测试结果知，其自放电率为17.5 mV h^-1，该结果明显优于已报道的大部分工作。此外，作者还详细分析了基于PM/CNF泡沫的ZIMC的抗自放电机制。其优异的抗自放电性能有利于微纳器件的长期驱动。同时，这种静态抗自放电机制也适用于其他金属离子微电容器（如Mg、Al等）。

图4. ZIMCs的电化学性能测试。

要点五：基于PM/CNF泡沫的ZIMCs的多功能应用

作者通过设计一系列多功能应用（如串并联、弯曲和受损后的自愈行为），详细讨论了基于PM/CNF泡沫的ZIMCs的电化学性能。此外，作者还将基于PM/CNF泡沫的ZIMCs与压力传感系统相集成，组装成可实时监测人类健康状况的压力传感器。

图5. 基于PM/CNF泡沫的ZIMCs的多功能应用。

Nature-Inspired Interconnected Macro/Meso/Micro-Porous MXene Electrode

岳阳，副教授，博士生导师，目前任职于安徽大学物质科学与信息技术研究院，量子材料与物理研究所。现主要研究方向：

1.二维纳米流体自驱动压力传感器中离子选择性输运的力-电耦合调控机制研究。

2.基于二维纳米材料的压阻式传感器中界面微结构设计对器件灵敏度的调控机制研究。

3.基于二维纳米材料的多功能电化学储能器件研究。

以第一作者/通讯作者发表IF＞10中科院一区论文18篇，Science Bulletin 1篇，Advanced Functional Materials 2篇，ACS Nano 4篇，Energy Storage Materials 2篇，Research 2篇，Nano energy 2篇，Chemical Engineering Journal 5篇。现主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金项目、安徽省自然科学基金青年项目和安徽大学科研启动经费等。

马亚楠，副教授，硕士生导师，目前任职于湖北汽车工业学院储能与动力电池湖北省重点实验室。主要从事功能纳米材料的可控制备、性能调控及其在能源储存、压敏传感等领域的应用。近年来，在Nature Communications, Infomat, ACS Nano，Nano-Micro Letters，Nano Energy，Chemical Engineering Journal，Advanced Functional Materials，等国际高水平学术期刊发表论文40余篇，其中入选ESI高被引论文6篇。现主持国家自然科学基金、中国博士后面上基金，湖北省自然科学基金等项目。

王梦洁，于2021年在马鞍山学院机械工程系获得学士学位。现于安徽大学材料科学与信息技术研究院攻读硕士学位。现主要研究方向是基于二维纳米材料的多功能电化学储能装置和应用。

程永发，于2018年在桂林电子科技大学获得学士学位。现于华中科技大学WNLO攻读博士学位。现主要研究兴趣集中在柔性传感器和二维材料模拟方面。

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