Mxene近期工作汇总- 大数跨境

科学材料站

2020-07-04

导读：MXene是材料科学中的一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。本文总结了近期Mxene在电池、超级电容器以及可穿戴器件方面的进展。

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MXene是材料科学中的一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。它最初于2011年报道，由于MXene材料表面有羟基或末端氧，它们有着过渡金属碳化物的金属导电性。由于具有众多优势，Mxene已被广泛应用于电池、超级电容器、催化、光电器件、生物、储气等领域当中。本文总结了近期Mxene在电池、超级电容器以及可穿戴器件方面的进展，希望对有关研究人员有所启发。

1. Mxene在电池、超级电容器中的应用：

1.1 Advaced Energy Materials综述：MXene应用于非锂离子（Na，K，Ca，Mg和Al）电池和超级电容器

MXene是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料，其首次报道是在2011年由 Gogotsi教授他们提出。这类材料目前已在医疗、催化以及储能等各个领域引起极大的关注。MXene具有良好的导电性，这在储能领域是个优势。但这类材料用在电化学储能领域还有一个关键挑战就是层间作用力是否有利于离子的嵌入和脱出，而且储能机制目前还有待进一步确认。

近日，西南大学徐茂文教授等在国际知名期刊Advaced Energy Materials上发表题为“MXenes for Non-Lithium-Ion (Na, K, Ca, Mg, and Al) Batteries and Supercapacitors”的综述论文。Muhammad Kashif Aslam为本文第一作者。

在本综述中，我们主要阐述了目前MXene的合成方法以及构效关系，同时对多种电化学储能应用的研究进展和关键问题进行了系统归纳分析和探讨。重点放在了MXene材料在非锂离子储能技术中的应用，包括钠离子电池（SIBs），钾离子电池（PIBs），钙离子电池（CIBs），镁离子电池（MIBs），铝离子电池（AIBs）和超级电容器（SCs）。还讨论了它们与储能相关的特性，例如组成，结构，端接，电子和机械特性。最后，在这篇综述文章中，重点阐述了基于MXene电极材料存在的问题及其未来的发展。该综述对MXene的广泛研究将促进2D MXene在储能领域中的发展。

文章链接:

MXenes for Non‐Lithium‐Ion (Na, K, Ca, Mg, and Al) Batteries and Supercapacitors

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000681

1.2 ACS Energy Lett.：用于超高速率超级电容器的高载荷多孔Ti3C2Tx膜

有序和多孔的三维（3D）电极的批量生产是实际储能设备的关键前提。MXenes 作为具有优异的导电性和表面氧化还原反应的拟电容材料，已受到了广泛的关注，但在实现3D多孔结构（尤其是在高质量负载下）方面仍面临挑战。

基于以上现状，浙江大学薄拯教授等在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“High-mass-loading porous Ti3C2Tx films for ultrahigh-rate pseudocapacitors”的论文。Jing Kong、Huachao Yang为本文共同第一作者。

本文中，作者提出了一种通过层间相互作用工程减少排斥的冻结浇铸装配概念，以构造3D多孔Ti3C2Tx膜，其中通过较少的负电性官能团和基于量子计算的电荷屏蔽效应，使层间排斥最小化。3D-Ti3C2Tx薄膜在10 V s-1下的电容为207.9 F g-1，显示了58.6%的电容保持率，扫描速率提高了1000倍。电容性能几乎与膜质量负载无关，最高达16.18 mg cm-2，表现出3731 mF cm-2的超高面电容和336.7μWh cm-2的能量密度。

文章链接:

High-mass-loading porous Ti3C2Tx films for ultrahigh-rate pseudocapacitors

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00704

1.3 AFM超级电容器：高性能柔性超级电容器用碳布原位生长MWCNTs/Mxens纳米复合材料

二维钛碳化物和氮化物（MXenes）由于具有较大的表面积体积比，已成为一种很有前途的储能材料。然而，由于MXenes的各向异性性质，MXenes的层间和层间导电性差是其应用的瓶颈。此外，MXene片材的堆叠结构限制了暴露的表面积，并使电解质扩散变得复杂。

针对上述现象，汉阳大学的Min Jae Ko教授和Haiwon Lee教授等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“In Situ Grown MWCNTs/MXenes Nanocomposites on Carbon Cloth for High-Performance Flexible Supercapacitors”的文章。本文第一作者是Hui Li。

本文制备了一种独特的复合材料，其由均匀生长的多壁碳纳米管（MWCNTs）和碳布（CC）负载的MXene板组成，称为MWCNTs-MXene@CC。MWCTS-MXene@CC揭示了大面积剥落与优异导电性的协同组合。因此，所制备的电极在放电电流为1 mA cm-2时具有114.58 mF cm-2的比电容，同时在10 mA cm-2下1.6×104次循环后保持较高的保持率。这种复合结构的高性能归因于生长的MWCNTs所赋予的优异的层间和层间导电性。此外，所生长的碳纳米管还可作为MXene片材的中间柱，从而防止后者的自发崩塌。该方法可推广到其它需要同时考虑离子输运和电解质扩散的电催化剂系统。

文章链接:

In Situ Grown MWCNTs/MXenes Nanocomposites on Carbon Cloth for High-Performance Flexible Supercapacitors

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002739

2.Mxene在可穿戴器件中的应用

2.1 EnSM：纤维织物上连接MXene薄片作为高性能织物电极的超快电子传输层

高度柔性和可穿戴被认为是下一代电子产品的重要特征。在制备柔性电极的基底中，三维结构的织物由于其高的柔性，大的比表面积，质轻，制备工艺成熟等优点而备受青睐。如何在绝缘的织物基底上设计连续的电子传输通道，但不损害其固有的多孔结构、柔韧性和稳定性，是开发高性能器件的一大挑战。

基于以上现状，哈尔滨工业大学袁国辉教授，伍伦贡大学郭再萍教授，河北农业大学刘荣博士等在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Interfacing MXene flakes on fiber fabric as an ultrafast electron transport layer for high performance textile electrodes”的论文。李小龙博士和郝俊南博士为本文第一作者。

文章提出了一种简单的制备高导电织物电极的方法，通过聚乙烯亚胺（PEI）改性的带正电聚酯织物与带负电的碳化钛MXene薄片相互吸引，使MXene薄片可以定向，均匀的负载在织物纤维的表面。由于MXene的表面化学性质，它们不仅可以形成连续的导电皮肤层，在10 V s -1下易于充放电，而且为进一步引入其他电化学活性材料创造了许多活性位点。作为一种概念应用的证明，作者在该导电织物上聚合吡咯（PPy），作为超级电容器电极，在不牺牲其机械性能的前提下，该织物电极表现出高的面积比电容、高的倍率性能和优异的循环稳定性。这些特点显示了所制备电极的巨大潜力，并且为其他智能纺织品的设计和开发提供了一种新的途径。

文章链接:

Interfacing MXene flakes on fiber fabric as an ultrafast electron transport layer for high performance textile electrodes

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829720301768

2.2 汉阳大学Nat Comm：高导电性MXene纤维的大规模湿法纺丝

纯Ti3C2Tx-MXene（喷涂膜高达9880 S cm-1）的高导电性低于含还原GO（rGO）的MXene复合材料（72–290 S cm-1)CNT纤维（26 S cm-1）和PEDOT：PSS（1489 S cm−1），表明MXenes的导电性在纤维中没有充分利用形式。纯MXene纤维湿法纺丝面临的关键挑战是，由于相对较小的MXene片材之间的层间相互作用差，其自支撑组织较弱。此外，低浓度的分散性使得直接将MXene加工成一维纤维形式具有挑战性。

近日，韩国汉阳大学的Han Tae Hee 教授课题组在国际顶级期Nature Communications（2018影响因子：11.878）上发表题为“Large-scale wet-spinning of highly electroconductive MXene fibers”的研究工作。Wonsik Eom, Hwansoo Shin, Rohan B. Ambade为该文章的共同第一作者。

本文开发了一种直接、连续控制、无粘合剂的方法，通过大规模湿法纺丝组件制备纯MXene纤维。所获得的MXene板（平均横向尺寸为5.11 μm2）在水中高度浓缩，不形成聚集体或进行相分离。在混凝过程中引入铵离子，成功地将MXene板组装成具有极高导电性（7713 S cm−1）的米长柔性纤维。所制备的MXene光纤通过在电线中使用它们来打开发光二极管光并将电信号传输到耳机以演示其在电气设备中的应用而被综合集成。我们的湿法纺丝策略为高性能、新一代和可穿戴电子设备的MXene纤维的连续批量生产提供了一种途径。