MXene复合材料：能量转换和存储的黑科技

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MXenes因其独特的层状结构、显着的导电性和优异的机械性能而受到学者的广泛关注。除了原始形式之外，它们还可以与其他成分结合以获得杂化物和纳米复合材料，并具有增强的功能。它已广泛应用于锂电池、超级电容器、电磁屏蔽、肿瘤治疗、生物传感器、光催化等领域，在能量转换和存储方面显示出巨大的应用潜力。

本文的目的是概述 MXene 的合成和表征方面的最新进展，以及它们在水分解和太阳能电池等能源转换以及锂离子电池、超级电容器和太阳能电池等能源存储中的潜在应用。氢能将得到全面阐述。总结了发展机遇和挑战。

               

精彩呈现

概述了 MXene 合成和表征的最新进展。对不同结构形式和组成特征的MXenes材料进行了分类、总结和分析。

全面阐述了MXenes在水分解、太阳能电池等能量转换领域的应用现状和发展趋势。

深入总结了MXenes在锂离子电池、超级电容器、氢能等储能领域的应用进展和发展潜力。

图文参考

图1.   具有不同成分的 MAX 相样品的 TEM 图像：(A) HF 蚀刻 22 小时后形成的 Ti3C2 层，(B) 从 Ti3AlCN 剥离的 Ti3CNx，(C) 从 TiNbAlC 剥离的 TiNbC 和 (D) 从 Ta4AlC3 剥离的 Ta4C3。

图2.    所选粉末样品的 SEM 图像：(a) (Nb0.8Ti0.2)4C3Tx 和 (b) (Nb0.8Zr0.2)4C3Tx。纳米片的 TEM 图像：(c) (Nb0.8Ti0.2)4C3Tx 和 (d) (Nb0.8Zr0.2)4C3Tx。(c) 和 (d) 中的插图是 MXenes 纳米片的 SAED 图案。

图3.  (a) 剥离后 Ti3C2Tx MXene 的 TEM 图像，插图显示 Ti3C2Tx MXene 的 SAED 图案。(b) 剥离后 Ti3C2Tx MXene 的 AFM 图像，插图显示 Ti3C2Tx MXene 纳米片的高度剖面。

图4.   不同样品的横截面SEM图像：（a）PVA + 0.5％（质量）CNT，（b）PVA + 5％（质量）CNT，（c）PVA/V2C + 0.5％（质量）CNT和 (d) PVA/V2C + 5%（质量）CNT。

图5.   Ti3C2 MXene 纳米片 (a) 和代表性 PPy/Ti3C2 纳米复合材料 (b) 的 SEM 图像。

图6.  Ti3C2TX/CNT 复合薄膜的 SEM 图像：(a) 薄膜的横截面图像，(b) C 和 Ti 的 EDS 图，(c) 薄膜的表面图像。(a) 中的插图是独立式 Ti3C2TX/CNTs 复合薄膜的照片。

图7.   多层互连 3D Ti3C2Tx@CNTs 复合材料的合成路线示意图。

图8.   Co/N-CNTs@Ti3C2Tx 复合材料的合成过程示意图。

总结

使用HF或HCl/LiF作为蚀刻剂可以生产具有不同形貌和表面化学性质的多层二维（2D）MXene纳米片。目前，单层或更少层MXene的合成并大规模生产仍然是一个挑战。在具有各种组成的MXene中，源自Ti3AlC2母体化合物的家族，即Ti3C2TX，得到了最广泛和深入的研究。实验和理论结果独立证明，MXenes 具有优异的化学、物理、热、电和机械性能。对此，建议实验学家和理论学家在未来对MXene材料的研究中共同努力。

与此同时，MXenes 已被探索作为与其他材料（例如无机化合物和聚合物）结合的成分，以生产杂化物/复合材料，以实现增强或新出现的特性和性能。由于其独特的性能，MXenes 在各个领域都有广泛的应用。对于能量转换和存储，MXenes可用作催化剂或电极，具有优越的性能。他们坚信，越来越多的应用需要探索，并且已经出现了一些有用的方向。总而言之，MXenes属于二维纳米材料，可以通过多种方法进行长期研究。