Trends in Chemistry：MXenes作为储能电极
二维过渡金属碳化物/氮化物MXenes在许多研究领域都引起了广泛的研究关注，其中包括电化学储能。自从2011年被发现以来，MXenes作为一类新型的2D材料体系已经合成出30余种不同化学组成的MXenes材料。得益于其可控的性能，如表面化学、导电性和2D结构，MXenes被认为是一类非常有潜力的材料。瑞士法国图卢兹大学Patrice Simon教授与四川大学林紫峰教授合作在国际知名学术期刊Trendsin Chemistry上发表了一篇题目为MXenes as High-Rate Electrodes for Energy Storage的短综述，总结了MXene材料作为高倍率电极的电化学性能，尤其是在非水系的电解液环境中的研究进展与突破，并对未来的研究方向做出了展望。
图1. MAX相与MXene的化学成分。 由HF或HCl/LiF刻蚀得到的MXenes主要包含-O、-OH与-F官能团。定量的核磁共振波普分析表明，与HCl/LiF刻蚀相比，HF刻蚀得到的Ti3C2TxMXene所带有的-F官能团的数量接近四倍多，还具有更多的-OH和更少的-O。与此同时，不同HF的浓度也会导致MXene表面官能团成分的不同。
图2.MXene在水系电解液中的电化学特征。
图3.MXene基电化学电容器电极在传统非水系电解液中的电化学行为。
图4. MXene电极在含Li或Na的有机电解液中的电化学行为。
在未来，研究者们需要在以下几个方面进行深入研究： 1）以路易斯酸熔融盐法为例，探索环境友好型、安全、高效可批量声场的方法扩展MAX相前驱体以及对MXenes表面组成的可控制备。 2）在所有的MXene研究工作中，约70%的研究都集中在首次发现的MXene，也就是Ti3C2Tx。而其他类型的MXenes虽然制备过程比较复杂，但需要我们同时从理论与实验两个方面进行深入探究。 3）尽管MXene电极在水系电解液中可以实现较高的容量，考虑到更宽的电压窗口， MXene在非水系电解液中的性能应该被更深入的研究。对MXene表面官能团的组成与本质进行优化调控，以及层间的控制对于性能的提升来说至关重要。 4）对于需要同时满足高功率与高能量密度的电化学电容器与高功率电池来说，设计3D多孔、垂直排列或其他结构的MXene电极，在不牺牲太多体积能量密度的条件下，进而改善电极中的离子传输路径，这将成为未来几年重点的发展方向。
文献链接： https://doi.org/10.1016/j.trechm.2020.04.010
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