西南大學AEM綜述: MXene在非鋰離子(Na，K，Ca，Mg和Al)電池和超級電容器上的應用

【引言】

鋰離子電池(LIB)是最重要的儲能技術之一，已被廣泛應用于便攜式電子產品和電動汽車。然而，鋰資源的稀缺性和成本問題阻礙了LIB在大規模儲能中的應用。因此，迫切需要開發新的電池體系。Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺和Al³⁺電池由于其資源豐富、容量高和環境友好等特性而備受關注。非鋰離子電池(NLIBs)的電化學性能在很大程度上取決于其電極結構和電解質性能。近些年來，層狀和二維材料由于其獨特的結構而受到了廣泛的研究。典型的材料就是MXene，這是一種二維分層的金屬碳化物和金屬氮化物材料。近年來，已提出大量MXene用于儲能體系的電極材料。由于MXene具有出色的物理和化學特性，關于MXene在儲能領域應用的報道每年都在增加。

近日，西南大學徐茂文教授（通訊作者）在Advanced Energy Materals上發表了題為“MXenes for Non-Lithium-Ion (Na, K, Ca, Mg, and Al) Batteries and Supercapacitors”的綜述文章。本文對MXene在非鋰儲能技術中的合成、結構、性能和應用進行了綜述。簡要概述了MXene的制備策略和結構性質。還討論了MXene的機構與儲能性能之間的構效關系。最后，對MXene在儲能系統中的目前存在的問題以及挑戰進行了總結并概括了未來MXene的研究方向。

【圖文導讀】

圖一 MXene簡介

（a）元素周期表，其中列出了用于形成通式為M_n+1AX_n的MAX相的元素的部分。

（b）關于MXene的文獻數量趨勢圖。

圖二基于HF酸和氟化物鹽刻蝕的MXene

圖三無氟刻蝕劑的MXene

圖四MXene在儲鈉上的應用

（a-d）Na⁺嵌入不同的Ti₃C₂T_x的結構示意圖。

（e）Ti₃C₂T_x的循環性能。

（f）不同充放電狀態下NMR光譜。

（g）前兩個充電/放電循環的非原位XRD圖譜和相應的TEM圖像。

圖五 MXene在鉀離子上的應用

（a）MoSe₂/MXene @ C的合成示意圖，

（b）MoSe₂/MXene @ C的循環性能。

（c）MoSe₂/MXene @ C在三種不同電流密度下的循環性能，。

（d）MoSe₂/MXene @ C的倍率性能。

圖六 MXene在鎂離子電池上的應用

（a）CT-Ti₃C₂T_x在50mA g^-1時的充電/放電曲線。

（b）計算的Ti₃C₂表面上O和Mg原子吸附能。

（c，d）CT-Ti₃C₂T_x的倍率性能和循環性能

圖七MXene在鋁離子電池上的應用

（a）通過TMAOH的插入說明了V₂CT_x的層間擴展。

（b，c）V₂AlC和V₂CT_x的SEM圖像。

（d）在不同充電狀態下V2C電極的XRD圖譜。

（e）鋁離子電池的示意圖。

（f）ML-V₂C MXene的CV曲線。

（g-i）FL-V₂CT_x的充放電曲線和FL-V₂CT_x的倍率性能，以及i）FL-V₂CT_x性能與先前報道的正極的比較。

圖八MXene在超級電容器上的應用

（a）MXene層之間插入大小不同的陽離子的示意圖。

（b，c）Ti₃C₂T_x的FESEM圖像以及層狀MXene的嵌入示意圖。

（d）Ti₃C₂T_x紙電極在KOH電解液中的CV曲線。

（e）Ti₃C₂T_x紙電極的電容保持率以及在1 A g^-1時的充放電曲線。

（f）Ti₃C₂T_x紙電極的倍率性能。

（g）在KOH電解質中的Ti₃C₂T_x電極的EIS。

【小結】

自MXene于2011年發布第一份報告以來，它已成為2D材料領域的熱門和前沿研究方向。在材料制備方面，現有的MXene材料制備方法主要圍繞蝕刻MAX相前驅體的思想發展。通過選擇蝕刻劑來制備MXene材料的制備方法有很多種。 不同的蝕刻方法對MXene材料的形貌有不同的影響。盡管可以通過蝕刻大規模制備MXene材料，但是通常在MXene材料的表面上引入更多的雜原子官能團或結構缺陷，從而影響MXene的導電性。 根據石墨烯和其他2D材料的制備路線，諸如CVD的自下而上方法的發展是高純度MXene制備的未來方向。目前，研究機構報告的大多數MXene材料都是鈦基材料。隨著金屬元素組成的變化，MXene材料將表現出不同的性能。對不同金屬或雙金屬過渡金屬和多種過渡金屬MXene材料的探索有望為2D材料的研究打開另一個窗口。在材料結構設計方面，可以利用石墨烯研究和2D MXene的思想制備2D MXene納米線或納米管，可以研究其性能，也可以將MXene用作模板制備金屬氧化物和其他衍生物。 具有相應的獨特結構，這也是MXene材料領域要研究的工作。

文獻鏈接：“MXenes for Non-Lithium-Ion (Na, K, Ca, Mg, and Al) Batteries and Supercapacitors”(DOI: 10.1002/aenm.202000681)

本文由微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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