二维材料MXene的储能性能与应用

• 作者: 孙正明 张亚梅 张培根 杨莉 田无边 郑伟 陈坚
• 来源期刊: 材料导报
• 学科: 工学
• 关键词: MAX相 MXene 二维材料 制备 储能
• 年，卷（期）: 2018,（15）
• 所属期刊栏目: 材料与可持续发展(一)——面向洁净能源的先进材料
• 页码范围: 2513-2537
• 页数: 25页
• 分类号: TB34
• 字数: 12319字
• 语种: 中文
• DOI: 10.11896/j.issn.1005-023X.2018.15.001

摘要

能量存储和转化器件是现代社会的重要基础.随着清洁能源、便携式电子设备及电动汽车的快速发展,人们对储能器件性能的要求越来越高.储能材料是决定储能器件性能的重要因素.通常,储能材料需满足具有可逆的氧化还原反应、易于电解液离子脱嵌、尽可能多地提供氧化还原位点、良好的导电能力等要求.近年来,二维材料因比表面积大、离子传输路径短等特点而得到广泛关注,在储能领域也具有巨大的发展潜力.只有原子量级厚度的二维材料,表面活性位点多,力学性能优良,正契合储能器件对电极材料的要求.MXene是一类新型二维材料,通式为Mn+1 Xn Tx,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、-O H、-O等),n一般为1～4.自2011年首次报道以来,MXene在储能领域就被寄予厚望.MXene含有碳原子层,所以具有类似石墨烯的良好导电性;而过渡金属层使其表现出类似过渡金属氧化物的性能;同时,表面多样的官能团赋予MXene良好的亲水性.这种独特的性能组合,使得MXene电荷响应速度快,具有赝电容特征且循环性能稳定,成为储能领域的研究焦点.另外,便携式储能器件要求更高的体积容量与体积能量密度,而MXene与碳基电极材料相比堆积密度高,可有效降低器件体积,拓展应用范围.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、储氢等诸多储能领域展现出实用价值.但是,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、掺杂或与其他材料复合,以阻止MXene堆叠,减小离子扩散阻力,并增加离子吸附位点,从而提高其电化学性能.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有不同的要求,鉴于MXene能源应用相关研究的大量呈现,有必要对其进行全面总结与分析,以期推动MXene在该领域的发展.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动态与发展方向,并讨论面临的挑战.