二维材料MXenes的储能性能与应用

能量存储和转化器件是现代人类生活的重要物质基础。随着便携式电子设备及电动汽车的快速发展,人类对储能器件性能的要求也越来越高。勿容置疑,储能器件的性能表现取决于储能材料的开发和利用。通常,对储能材料的要求有以下四点:(1)具有可逆的氧化还原反应;(2)易于电解液离子进出;(3)尽可能多地提供氧化还原位点;(4)良好的导电能力。近年来,二维材料以其比表面积大、离子传输路径短等特点在储能领域展现出巨大优势。二维材料只有原子层量级的厚度,表面活性位点多,机械性能优良,正好契合储能器件对材料性能的要求。MXene是一类新型二维材料,于2011年首先被发现,通式可表示为M_(n+1)X_n T_x,其中M代表过渡族金属元素,X为碳和/或氮,T代表MXene在制备过程中产生的官能团(-F,-OH,-O等);n一般为1、2、3。自被发现起,MXene就在储能材料中被寄予厚望。MXene具有导电性好、电荷响应速度快、比表面积大,以及具有赝电容的特征且循环寿命稳定的优点。这是因为:MXene含有碳层,所以具有类似石墨烯的良好导电性,又有过渡金属层,可表现出类似过渡金属氧化物的性能。同时,表面多变的官能团赋予MXene亲水性。这种完美契合储能材料要求的性质,使得MXenes的研究逐渐成为热点。另外,便携式储能器件对体积容量/能量密度指标要求越来越高,而MXene堆积密度高,可有效降低储能器件的体积,提升体积/能量密度,拓展其应用范围。目前,MXene及其复合材料已经在超级电容器、锂/钠/镁离子二次电池、锂硫电池、锌-空气电池、储氢等多个储能领域展现出实用价值。但是,纯MXene容易发生塌陷和堆垛,影响其作为电极材料的性能。因此需将MXene进行插层/改性、掺杂处理或者与其它材料复合,以减小离子扩散阻力,增加离子的吸附位点,从而阻止MXene堆叠,提高其电化学性能。而且,不同的能量存储和转化装置对MXene的合成方法和结构特征具有不同的要求。同时,MXene的成分、形貌与结构对其储能性能影响巨大。因此需要对该材料体系进行全面总结与分析,以期推动MXene在能量储存和转化领域的发展。本文旨在综述MXene在制备、结构、性能及其在储能方面的最新研究进展,并展望其今后的发展方向和该领域面临的挑战。