AFM综述：看看MXenes基电极可以怎么组装

MXenes是一种具有相对较高比表面积，高导电性，功能化过渡金属表面，可控表面化学以及溶液可加工性的2D材料。得益于这些性能，2D MXenes作为储能器件的电极材料吸引了广泛的关注，包括具有高功率与能量密度的电化学电容器。然而，许多研究表明，MXene电极的电化学性能在很大程度上受结构与形貌的影响。这些性质在很大程度上受2DMXene的组装方法控制。一个成功的电机组装方法应该可以解决很多问题，如2D片的重堆叠，以实现产生高离子传输性能，导电性与机械稳定性的电极结构与形貌。近日，美国奥本大学Majid Beidaghi教授在国际知名学术期刊 Advanced Functional Materials上发表题目为： A Review of the Effects of Electrode Fabrication and Assembly Processes on the Structure and Electrochemical Performance of 2D MXenes 的综述文章，总结了MXene基电极的组装方式的研究进展，需要解决的主要挑战以及在未来用于实际储能应用的潜在发展方向。

图1. MXene基复合材料电极的组装方式总结。

图2. MXene膜中纳米片尺寸对离子扩散路径的影响以及截面SEM图像; MXene@CNT复合膜的XRD图谱与电化学性能测试。

图3. MXene/CNT膜的制备流程以及电化学性能测试。

图4. MXene表面原位沉积聚合物：PP，PANI。

图5. 过渡金属复合物/MXene复合电极的电化学性能测试与TEM图像。

表1 通过不同组装方式制备的MXene基电极的电化学性能总结。

图6. 通过阳离子驱动组装方式制备的高稳定性V2CTz电极的制备流程，实物图与电化学性能测试；NiCoP/Ti3C2复合电极的电化学性能测试与形貌表征。

图7. 通过喷涂法制备的MXene@石墨烯复合膜的制备方法与电化学性能测试。3D MXene@TAEA复合电极用于全固态超级电容器的制备流程与电化学性能测试。

图8. 通过3D打印技术制备具有集成结构的微型超级电容器以及相应的电化学性能测试。3D MXene气凝胶的制备及其电化学性能测试。

MXenes独特的物理化学性质使其在很多应用中具有很广泛的前景。然而，对于每一类应用，有利结构的2D MXene的组装是充分利用这些材料性能的关键。比如对于储能应用来说，阻止2D MXene纳米片的重堆叠是非常关键的一个问题，因为MXenes或其他2D材料的重堆叠问题可以极大地减小活性比表面积并阻碍电解液离子的传输，减弱了电化学反应。因此，MXene电极的结构工程可以帮助研究者们实现片与片之间的相互连接，这些片与片具有大量的孔隙率和可达到的层间距，这对于实际来说至关重要。

此外，得益于MXene的高导电性，相互连接的MXene片可以在电极结构中提供电子传输路径。然而，具有多孔性和扩大的层间距的电极通常会具有较低的密度，这会降低其体积容量与能量密度。因此，在电极设计过程中，我们需要平衡孔径与层间距以及电极密度三者之间的关系。

将MXenes与其他具有电化学活性的纳米材料复合被证明是一种制备高性能电极材料的有效方式。比如MXene与2D TMO异质结可以结合TMO的高比电容以及MXenes的高导电性。同时，二者可以有效地防止聚集与重堆叠，会使电容与倍率性能得到改善。然而，在一些情况下，异质结或复合电极的合成会引入额外的一些缺陷。

由于大多数MXene合成方法都会产生水性分散液，因此湿化学方法经常用于合成MXene基复合材料。这其中，堆叠是合成复合材料的共有问题。使用合适的表面活性剂或许是解决这一问题的实际解决方案，可以通过使用静电吸附来制备和设计复合材料的形貌。然而，在这类过程中，如何除去剩余的表面活性剂是一个很大的问题。

MXene复合物作为电池的电极材料时，MXene主要是作为一种支撑电化学活性更高的材料的导电骨架，设计成稳定的结构，可以承受纳米颗粒在嵌入和脱嵌过程中的体积膨胀，这是非常重要的考量。主要的挑战在于控制复合材料的孔径尺寸以及形貌，保证纳米颗粒在MXene表面均匀的分布。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202005305

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