MXene復(fù)合材料：能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的黑科技

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MXenes因其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)、顯著的導(dǎo)電性和優(yōu)異的機(jī)械性能而受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。除了原始形式之外，它們還可以與其他成分結(jié)合以獲得雜化物和納米復(fù)合材料，并具有增強(qiáng)的功能。它已廣泛應(yīng)用于鋰電池、超級(jí)電容器、電磁屏蔽、腫瘤治療、生物傳感器、光催化等領(lǐng)域，在能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

本文的目的是概述 MXene 的合成和表征方面的最新進(jìn)展，以及它們?cè)谒纸夂吞柲茈姵氐饶茉崔D(zhuǎn)換以及鋰離子電池、超級(jí)電容器和太陽能電池等能源存儲(chǔ)中的潛在應(yīng)用。氫能將得到全面闡述。總結(jié)了發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

精彩呈現(xiàn)

概述了 MXene 合成和表征的最新進(jìn)展。對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式和組成特征的MXenes材料進(jìn)行了分類、總結(jié)和分析。

全面闡述了MXenes在水分解、太陽能電池等能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

深入總結(jié)了MXenes在鋰離子電池、超級(jí)電容器、氫能等儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖文參考

圖1. 具有不同成分的 MAX 相樣品的 TEM 圖像：(A) HF 蝕刻 22 小時(shí)后形成的 Ti3C2 層，(B) 從 Ti3AlCN 剝離的 Ti3CNx，(C) 從 TiNbAlC 剝離的 TiNbC 和 (D) 從 Ta4AlC3 剝離的 Ta4C3。

圖2. 所選粉末樣品的 SEM 圖像：(a) (Nb0.8Ti0.2)4C3Tx 和 (b) (Nb0.8Zr0.2)4C3Tx。納米片的 TEM 圖像：(c) (Nb0.8Ti0.2)4C3Tx 和 (d) (Nb0.8Zr0.2)4C3Tx。(c) 和 (d) 中的插圖是 MXenes 納米片的 SAED 圖案。

圖3. (a) 剝離后 Ti3C2Tx MXene 的 TEM 圖像，插圖顯示 Ti3C2Tx MXene 的 SAED 圖案。(b) 剝離后 Ti3C2Tx MXene 的 AFM 圖像，插圖顯示 Ti3C2Tx MXene 納米片的高度剖面。

圖4. 不同樣品的橫截面SEM圖像：（a）PVA + 0.5％（質(zhì)量）CNT，（b）PVA + 5％（質(zhì)量）CNT，（c）PVA/V2C + 0.5％（質(zhì)量）CNT和 (d) PVA/V2C + 5%（質(zhì)量）CNT。

圖5. Ti3C2 MXene 納米片 (a) 和代表性 PPy/Ti3C2 納米復(fù)合材料 (b) 的 SEM 圖像。

圖6. Ti3C2TX/CNT 復(fù)合薄膜的 SEM 圖像：(a) 薄膜的橫截面圖像，(b) C 和 Ti 的 EDS 圖，(c) 薄膜的表面圖像。(a) 中的插圖是獨(dú)立式 Ti3C2TX/CNTs 復(fù)合薄膜的照片。

圖7. 多層互連 3D Ti3C2Tx@CNTs 復(fù)合材料的合成路線示意圖。

圖8. Co/N-CNTs@Ti3C2Tx 復(fù)合材料的合成過程示意圖。

總結(jié)

使用HF或HCl/LiF作為蝕刻劑可以生產(chǎn)具有不同形貌和表面化學(xué)性質(zhì)的多層二維（2D）MXene納米片。目前，單層或更少層MXene的合成并大規(guī)模生產(chǎn)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。在具有各種組成的MXene中，源自Ti3AlC2母體化合物的家族，即Ti3C2TX，得到了最廣泛和深入的研究。實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果獨(dú)立證明，MXenes 具有優(yōu)異的化學(xué)、物理、熱、電和機(jī)械性能。對(duì)此，建議實(shí)驗(yàn)學(xué)家和理論學(xué)家在未來對(duì)MXene材料的研究中共同努力。

與此同時(shí)，MXenes 已被探索作為與其他材料（例如無機(jī)化合物和聚合物）結(jié)合的成分，以生產(chǎn)雜化物/復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)或新出現(xiàn)的特性和性能。由于其獨(dú)特的性能，MXenes 在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。對(duì)于能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，MXenes可用作催化劑或電極，具有優(yōu)越的性能。他們堅(jiān)信，越來越多的應(yīng)用需要探索，并且已經(jīng)出現(xiàn)了一些有用的方向?？偠灾?，MXenes屬于二維納米材料，可以通過多種方法進(jìn)行長(zhǎng)期研究。