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(lǐng)域都引起了廣泛的研究關(guān)注，其中包括電化學(xué)儲能。自從2011年被發(fā)現(xiàn)以來，MXenes作為一類新型的2D材料體系已經(jīng)合成出30余種不同化學(xué)組成的MXenes材料。得益于其可控的性能，如表面化學(xué)、導(dǎo)電性和2D結(jié)構(gòu)，MXenes被認(rèn)為是一類非常有潛力的材料。瑞士法國圖盧茲大學(xué)Patrice Simon教授與四川大學(xué)林紫峰教授合作在國際知名學(xué)術(shù)期刊Trendsin Chemistry上發(fā)表了一篇題目為MXenes as High-Rate Electrodes for Energy Storage的短綜述，總結(jié)了MXene材料作為高倍率電極的電化學(xué)性能，尤其是在非水系的電解液環(huán)境中的研究進(jìn)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(xué)成分。 由HF或HCl/LiF刻蝕得到的MXenes主要包含-O、-OH與-F官能團(tuán)。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(tuán)的數(shù)量接近四倍多，還具有更多的-OH和更少的-O。與此同時(shí)，不同HF的濃度也會導(dǎo)致MXene表面官能團(tuán)成分的不同。
圖2.MXene在水系電解液中的電化學(xué)特征。
圖3.MXene基電化學(xué)電容器電極在傳統(tǒng)非水系電解液中的電化學(xué)行為。
圖4. MXene電極在含Li或Na的有機(jī)電解液中的電化學(xué)行為。
在未來，研究者們需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究： 1）以路易斯酸熔融鹽法為例，探索環(huán)境友好型、安全、高效可批量聲場的方法擴(kuò)展MAX相前驅(qū)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(fā)現(xiàn)的MXene，也就是Ti3C2Tx。而其他類型的MXenes雖然制備過程比較復(fù)雜，但需要我們同時(shí)從理論與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面進(jìn)行深入探究。 3）盡管MXene電極在水系電解液中可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)該被更深入的研究。對MXene表面官能團(tuán)的組成與本質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，以及層間的控制對于性能的提升來說至關(guān)重要。 4）對于需要同時(shí)滿足高功率與高能量密度的電化學(xué)電容器與高功率電池來說，設(shè)計(jì)3D多孔、垂直排列或其他結(jié)構(gòu)的MXene電極，在不犧牲太多體積能量密度的條件下，進(jìn)而改善電極中的離子傳輸路徑，這將成為未來幾年重點(diǎn)的發(fā)展方向。
文獻(xiàn)鏈接： https://doi.org/10.1016/j.trechm.2020.04.010
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