MXene基材料在能源存储应用中的界面化学机制与性能优化研究

本文系统综述了二维过渡金属碳/氮化物（MXenes）在高效能源存储器件（ESDs）中的前沿应用，重点解析了其独特的界面化学特性如何通过调控电极-电解质相互作用提升超级电容器（SCs）和电池性能，为开发高能量密度（ED）、长循环稳定性的新一代储能系统提供了材料设计范式。

　　

随着可再生能源和电动汽车市场的爆发式增长，开发高效能源存储器件（ESDs）已成为解决能源危机的关键。传统碳基或金属氧化物电极材料往往面临导电性、结构稳定性与加工性能难以兼顾的困境。在此背景下，一类名为MXenes的二维过渡金属碳/氮化物（2D TMCs）横空出世——它们不仅具备23-98 m²/g的高比表面积（SA）、0.33-0.57 TPa的杨氏模量，更拥有可调控的表面化学特性，被誉为下一代储能材料的"明日之星"。然而，如何精准控制MXenes的界面化学行为以优化其电化学性能，仍是制约其实际应用的瓶颈问题。

来自印度玛哈瑞希玛坎德什瓦尔大学（Maharishi Markandeshwar University）化学系的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表综述，首次系统阐释了MXenes在能源存储中的界面化学机制。研究人员通过分析Ti₃C₂T_x等典型MXenes的合成策略、表面终止基团（-O、-F等）调控规律，揭示了其与电解质离子的相互作用对电荷存储容量和倍率性能的决定性影响。研究指出，通过构建MXene/石墨烯（rGO）三维复合结构，可协同提升材料的导电网络和机械强度，使组装的超级电容器在保持15.2 Wh/kg能量密度时实现>10000次循环稳定性。

关键技术方法包括：选择性蚀刻MAX相制备MXenes的液相剥离技术、表面终止基团调控的化学修饰法、MXene基复合材料的原位组装策略，以及采用循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD）评估电化学性能。

【MXene-based materials for energy storage】

通过氢氟酸（HF）选择性蚀刻MAX相中铝层获得的Ti₃C₂T_x展现独特层状结构，其表面丰富的-O/-F基团可促进Li⁺/Na⁺等离子的快速嵌入/脱出，使锂离子电池在1C倍率下保持>300 mAh/g的可逆容量。

【Interfacial chemistry of MXenes】

MXenes表面终止基团类型直接影响其与有机电解液的相容性。理论计算表明，-O终止的Ti₃C₂O₂对Li⁺的吸附能（-2.25 eV）显著优于-F终止版本，这解释了前者在酯类电解液中更优异的倍率性能。

【Applications in energy storage devices】

将MXenes与聚苯胺（PANI）复合构建的柔性电极，在6 M KOH电解液中实现345 F/g的质量比电容，且弯曲1000次后电容保持率达92%，为可穿戴设备供电提供新思路。

结论部分强调，MXenes通过精准调控M_n+1X_nT_x中的表面化学（T_x），可突破传统储能材料能量密度与功率密度此消彼长的限制。特别是通过构建MXene/金属氧化物异质结，能协同提升电子传导和氧化还原活性，为开发兼具高ED（>200 Wh/kg）和PD（>10 kW/kg）的混合超级电容器指明方向。该研究不仅为MXenes的界面工程设计提供理论框架，更推动二维材料从实验室走向规模化储能应用。