Ti3C2Tx MXene功能化PAN碳纳米纤维的制备及其热学与电化学性能增强机制研究

这篇研究通过静电纺丝（electrospinning）和浸渍涂层（dip-coating）技术，系统评估了二维Ti3C2Tx MXene薄片在聚丙烯腈（PAN）基碳纳米纤维（CNF）中的三种整合策略：原位嵌入（PM）、表面涂层（P+M）及复合策略（PM+M）。研究揭示了MXene的引入显著提升了碳纳米纤维的热稳定性（碳化收率提高10%）、导电性（片电阻<0.5 kΩ/sqr）和赝电容性能（比电容达187 F/g），为高性能超级电容器（SC）和锂离子电池（LIBs）电极设计提供了新思路。

　　

引言

碳纤维因其卓越的机械强度和轻量化特性，成为能源存储领域的理想材料。近年来，二维过渡金属碳化物（MXene）因其高导电性和快速离子传输能力备受关注。本研究聚焦Ti₃C₂T_x MXene与聚丙烯腈（PAN）基碳纳米纤维的复合策略，通过对比三种整合方法（原位嵌入、表面涂层及复合策略），系统探究其对材料热学与电化学行为的影响。

结果与讨论

形貌与结构表征

通过静电纺丝技术制备的PAN/MXene复合纤维直径较纯PAN纤维减少26%（640 nm vs 870 nm），MXene的加入提升了溶液导电性，促使纤维更细且分布均匀。扫描电镜（SEM）显示，碳化后纤维形貌保持完整，无塌陷或团聚，形成理想的三维导电网络。原子力显微镜（AFM）证实MXene薄片厚度约6 nm，经超声处理后横向尺寸降至500 nm以下。

热分析表明，MXene涂层（P+M）使碳化收率提升至48%，显著高于纯PAN的37%。差示扫描量热法（DSC）显示，MXene的引入将环化反应焓降低67%（PM+M为202 J/g），表明其表面羟基和羧基官能团可抑制放热反应，提升工艺安全性。

电化学性能

MXene复合策略中，PM+M电极表现出最优异的性能：片电阻低于0.5 kΩ/sqr，比电容达187 F/g（1 mV/s），是纯PAN电极的3.6倍。循环伏安法（CV）分析显示，PM+M电极的b值（0.36）表明其电荷存储受离子扩散控制，而P+M电极（b=0.61）则呈现赝电容特性。MXene的引入不仅提高了电极的亲水性，还通过减少纤维间孔隙增强了离子传输效率。

结论

研究证实，MXene的整合方法直接影响碳纳米纤维的性能：原位嵌入（PM）赋予材料优异柔性，表面涂层（P+M）提升热稳定性，而复合策略（PM+M）在导电性和赝电容性能上表现最佳。未来需通过表面功能化或水热处理等手段解决MXene薄片堆叠问题，以进一步优化离子传输路径。

实验方法

MXene通过最小化层剥离（MILD）工艺合成，并与PAN/DMF溶液共混。静电纺丝参数统一为20 kV电压、20 cm接收距离。碳化在氮气氛围中进行，三温区分别设置为400°C、600°C和900°C。电化学测试采用三电极体系，以1 M H₂SO₄为电解液。

图文摘要亮点

研究通过对比不同MXene负载策略，阐明其如何通过调控纤维微观结构（如减少孔隙、增强石墨化）协同提升材料的导电性（MXene核诱导结晶）与赝电容活性（表面官能团促进氧化还原）。碳化过程中形成的TiO₂虽可能降低导电性，但其多孔结构为离子扩散提供了额外通道。