江颖/叶正青， ACS Nano综述：MXenes的新见解：类型、性质、合成及其在碱金属离子电池中的应用

第一作者：江颖

通讯作者：江颖*，叶正青*

单位：天津理工大学，河北工业大学

二维（2D）材料引起了人们的极大兴趣由于它们具有单原子层和很少原子层的迷人不对称特征平面，电导率增加，表面积大，化学反应活性高。一系列二维材料，如石墨烯、石墨炔、过渡金属二硫属化合物、磷烯、硅烯和锗烯被认为是有前途的碱金属离子电池候选者。然而，这些负极具有致密的堆叠微结构由于离子传输缓慢而表现出低容量动力学。MXene由于其比表面积大，在二维材料领域几乎与石墨烯相当表面积、可调节的末端官能团、优异的导电性，以及光学和机械稳定性。此外，MXenes充分利用了丰富的三元层状MAX材料的d电子，已广泛应用于电池领域。近年来关于MXene在电池领域的文章逐年增加，进展情况和报告的工作量大，需要及时、全面回顾MXene及其复合物在可充电电池中的最新进展和独特观点，对MXene基材料进行全面系统的总结对于研究人员探索高性能、低成本和环保可充电电池至关重要。

近日，来自天津理工大学的江颖博士与河北工业大学的叶正青副教授合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Advanced Insights on MXenes: Categories, Properties, Synthesis, and Applications in Alkali Metal Ion Batteries”的综述文章。该文章讨论了MXenes的种类、性质和合成方法，汇总了MXenes及复合物在碱金属离子电池中的最新研究进展，重点介绍了MXenes在碱金属离子电池中的改性方法和储存机理，最后提出了MXenes及其复合材料在碱金属离子电池中的挑战和前景。

MXenes是一类包含金属碳化物/氮化物和碳氮化物的大家族，拓宽了二维材料的视野。MAX是化学物质的简写式为M_n+1AX_n，其中M表示早期过渡金属（即Ti、Mo或V），A通常代表第13族和第14族元素，X为C和/或N，且 n = 1、2 或 3。由于可用M_n+1AX_n相中的 n 值可能为1、2或3，因此相应的MXenes (M_n+1X_n) 层可以分别为3、5或7。此外，含有一种或多种M金属的MXenes可以表示为三个可能的代表公式：M₂XT_x、M₃X₂T_x和M₄X₃T_x。100多种的MXenes是通过理论计算得到的，但到目前为止，其中只有大概40个MXenes是通过实验制备得到的。

MXenes由于其优异的电子导电性、大的表面积和可调的表面官能团而成为有前途的材料。2DMXenes材料的性能可概括为5类：层状结构、导电性、磁性、光学性质和机械性能。MXenes具有各种特性，不同的性质决定了不同的电化学性能。

合成方法对MXenes薄片的表面化学有着至关重要的影响，并决定了MXenes材料的性质和特性。大多数MXenes是由MAX相合成的，有很多方法可以获得MXenes。最普遍和有效的方法是含HF溶液方法，而其他方法，特别是无HF的策略正在快速发展，但仍然具有挑战性。考虑到−F封端的Ti₃C₂Tx MXene倾向于严重降低实际放电容量并阻碍锂离子嵌入，因此阻碍了伪电容控制表面终端的充分利用。无HF策略提供了制备无F端接的MXene的机会，这对MXene电极的性能和电化学性能有显著影响。该部分总结了多层和单层/少层MXenes的合成方法分为三类：i）含氟溶液，ii）熔融盐，以及iii）其他方法（如无水蚀刻、无氟盐和电化学工艺）。

在理论模拟和实验测量中，具有各种类别和性质的MXenes在电池中显示出巨大的应用前景。通过DFT计算揭示了Li、Na和K在Ti₃C₂上的吸附特性。在吸附原子和Ti₃C₂单层之间可以看到明显的电荷转移。此外，Ti₃C₂对Li/Na/K的碱金属显示出低的扩散势垒，这表明Ti₃C₂有助于碱离子电池的快速充电/放电速率。在实验方面，提出了纯MXenes和MXenes基复合材料的各种电极制备策略，以提高碱金属离子电池电化学性能。功能化、尺寸调节和形态优化被认为是加速纯MXenes电子/离子扩散的优秀方法。复合材料设计和结构修饰是增加MXenes基复合材料活性位点的杰出技术。柔性电极制备有助于可穿戴设备的开发。了解MXenes对碱金属离子的存储机理，对材料的设计起到指导作用。

Advanced Insights on MXenes: Categories, Properties, Synthesis, and Applications in Alkali Metal Ion Batteries

江颖，天津理工大学，讲师。主要从事碱金属离子电池关键材料的开发和机理研究。2023年8月加入天津理工大学。近年来发表SCI论文30余篇，其中以第一作者或通讯作者（含共同）在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Adv. Sci. 、Chem. Eng. J.、Small等期刊上发表SCI论文10余篇，总引2000余次。授权专利4项。

叶正青，河北工业大学，副教授，博士生导师，澳门青年学者和元光学者。2022年于北京理工大学获得博士学位（师从吴锋院士和陈人杰教授），同年入职河北工业大学材料科学与工程学院，从事教学和科研工作。2023年入选“澳门青年学者”计划在澳门大学开展博士后研究工作（合作导师：Kwun Nam Hui）。长期致力于新型二次电池等电化学储能器件关键材料的开发和机理研究。近年来共发表26篇SCI论文，总被引用1600余次。以第一作者/通讯作者发表SCI论文14篇，其中5篇入选ESI高被引论文，1篇入选ESI热点论文，包括Advanced Materials (3篇)、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano Energy (2篇)、Energy Storage Materials等材料、化学与能源领域高水平期刊。申请国家发明专利4项，授权3项。曾获北京市优秀博士学位论文、Nano Research Energy学术研究新星金奖、北京市优秀毕业生等荣誉与奖励。主持国家自然科学基金青年项目一项；中国材料研究学会和中国复合材料学会会员；EcoEnergy和Microstructures期刊青年编委。