Trends in Chemistry：MXenes作為儲能電極
二維過渡金屬碳化物/氮化物MXenes在許多研究領域都引起了廣泛的研究關注，其中包括電化學儲能。自從2011年被發現以來，MXenes作為一類新型的2D材料體系已經合成出30余種不同化學組成的MXenes材料。得益于其可控的性能，如表面化學、導電性和2D結構，MXenes被認為是一類非常有潛力的材料。瑞士法國圖盧茲大學Patrice Simon教授與四川大學林紫峰教授合作在國際知名學術期刊Trendsin Chemistry上發表了一篇題目為MXenes as High-Rate Electrodes for Energy Storage的短綜述，總結了MXene材料作為高倍率電極的電化學性能，尤其是在非水系的電解液環境中的研究進展與突破，并對未來的研究方向做出了展望。
圖1. MAX相與MXene的化學成分。 由HF或HCl/LiF刻蝕得到的MXenes主要包含-O、-OH與-F官能團。定量的核磁共振波普分析表明，與HCl/LiF刻蝕相比，HF刻蝕得到的Ti3C2TxMXene所帶有的-F官能團的數量接近四倍多，還具有更多的-OH和更少的-O。與此同時，不同HF的濃度也會導致MXene表面官能團成分的不同。
圖2.MXene在水系電解液中的電化學特征。
圖3.MXene基電化學電容器電極在傳統非水系電解液中的電化學行為。
圖4. MXene電極在含Li或Na的有機電解液中的電化學行為。
在未來，研究者們需要在以下幾個方面進行深入研究： 1）以路易斯酸熔融鹽法為例，探索環境友好型、安全、高效可批量聲場的方法擴展MAX相前驅體以及對MXenes表面組成的可控制備。 2）在所有的MXene研究工作中，約70%的研究都集中在首次發現的MXene，也就是Ti3C2Tx。而其他類型的MXenes雖然制備過程比較復雜，但需要我們同時從理論與實驗兩個方面進行深入探究。 3）盡管MXene電極在水系電解液中可以實現較高的容量，考慮到更寬的電壓窗口， MXene在非水系電解液中的性能應該被更深入的研究。對MXene表面官能團的組成與本質進行優化調控，以及層間的控制對于性能的提升來說至關重要。 4）對于需要同時滿足高功率與高能量密度的電化學電容器與高功率電池來說，設計3D多孔、垂直排列或其他結構的MXene電極，在不犧牲太多體積能量密度的條件下，進而改善電極中的離子傳輸路徑，這將成為未來幾年重點的發展方向。
文獻鏈接： https://doi.org/10.1016/j.trechm.2020.04.010
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