综述：二维材料在超级电容器中的应用进展

本综述系统探讨了二维材料（如MXenes、MOFs、COFs、MBenes及LDHs）在超级电容器中的前沿应用，重点分析了其合成策略、结构设计及性能优化机制，强调了原位表征技术（如in situ Raman、XRD）在揭示电荷存储动力学中的作用，为高性能储能器件开发提供了重要理论依据和技术路径。

　　

引言

全球能源消费快速增长，对清洁可持续能源解决方案的需求日益迫切。超级电容器（SCs）作为重要的电化学储能装置，因其高功率密度、长循环寿命和快速充放电特性备受关注。与传统电池相比，超级电容器在功率输出和循环稳定性方面具有显著优势，但其能量密度较低限制了广泛应用。二维材料（2D materials）的出现为突破这一瓶颈提供了新机遇。

二维纳米材料的发展

二维纳米材料以其独特的物理化学性质、高比表面积和可调控功能成为材料科学的研究热点。从最初的石墨烯扩展到MXenes、层状双氢氧化物（LDHs）、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）以及新兴的MBenes，这些材料在超级电容器、电池、传感和环境修复中展现出巨大潜力。

金属与共价有机框架

MOFs和COFs因其可调孔隙率、高比表面积和化学适应性成为超级电容器的理想电极材料。MOFs由金属节点和有机连接体构成，具有结构灵活性和高离子电导率；COFs则完全由共价键连接的轻元素组成，具有优异的化学稳定性和可设计的孔道结构。通过“自下而上”或“自上而下”的合成策略，如溶剂热法、微波辅助合成和电化学合成，可制备具有特定功能的MOFs和COFs材料。这些材料不仅提供丰富的活性位点，还能通过引入氧化还原活性基团增强伪电容行为。

MOF与二维复合材料

将MOFs与MXenes、石墨烯、过渡金属二硫属化物（TMDs）等二维材料复合，可显著提升超级电容器的性能。MOFs的高孔隙率与二维材料的高电导率相结合，有效抑制材料堆叠，增加离子可及表面积。例如，Ni-Co席夫碱复合物作为正极材料时，其比电容可达239 F/g，能量密度为69 Wh kg^?1，功率密度达1385 W kg^?1。MXene与Ni–NH₂BDC MOF的复合材料在5000次循环后仍保持95%的电容保留率，显示出优异的耐久性。

共价有机框架

COFs是一类由共价键连接的结晶性多孔聚合物，自2005年首次报道以来，其在储能领域的应用不断拓展。COFs的π共轭结构、高比表面积和可定制孔道拓扑结构使其成为超级电容器的理想候选材料。通过化学修饰、杂原子掺杂或与石墨烯等导电材料复合，可显著提高COFs的电化学性能。例如，TaPa-Py COF/rGO-30复合材料在10000次循环后仍保持96%的电容保留率，显示出卓越的稳定性。

MXenes

MXenes是一类由过渡金属碳化物或氮化物构成的二维材料，自2011年首次报道以来，因其高电导率、可调层间距和丰富的表面化学而备受关注。Ti₃C₂T_x作为研究最广泛的MXene，在超级电容器中表现出优异的体积电容和速率性能。通过抑制MXene片的堆叠和氧化，其复合材料可显著提高系统稳定性和电化学性能。例如，V₃CrC₃T_x MXene基锌离子微型超级电容器在20000次循环后仍保持84.5%的电容保留率，且具有出色的机械灵活性。

MBenes

MBenes作为MXenes的硼化物类似物，由过渡金属硼化物构成，具有高导热性、优异的电子传导性和独特的催化特性。通过选择性蚀刻MAB相中的“A”元素（如Al、Ga），可制备出具有开放表面结构的MBenes。这些材料在钠离子（Na⁺）、锂离子（Li⁺）和镁离子（Mg²⁺）电池及超级电容器中展现出潜在应用价值。理论计算和第一性原理研究表明，MBenes具有低离子扩散势垒和高理论容量，适用于高性能储能系统。

层状双氢氧化物

LDHs因其层状结构和阴离子交换特性在催化和吸附中具有重要应用。通过阳离子掺杂（如Li、Mg、Ca、Al或过渡金属）和煅烧处理，可显著提高LDHs的电导率和循环稳定性。例如，CoAl LDH经300°C煅烧后转化为Co₃O₄，作为NiMoO₄纳米片的导电基底，其电化学性能显著提升。多金属LDHs煅烧后得到的氧化物具有均匀的精细结构，增强了电解质接触表面和金属原子间的协同效应。

超级电容器的原位研究

原位表征技术（如原位拉曼光谱、原位X射线衍射（XRD）、原位透射电子显微镜（TEM）和电化学阻抗谱（EIS））为理解超级电容器在工作状态下的动态行为提供了关键 insights。这些技术能够实时监测相变、电子结构变化、离子传输过程和降解途径，从而指导高性能储能材料的合理设计。例如，原位拉曼光谱可用于监测碳质材料中D、G和2D波段强度的变化，揭示无序程度、掺杂效应和电荷转移机制。

结论与未来展望

二维材料在超级电容器中的应用展现出巨大潜力，但仍面临可扩展性、环境友好性和长期稳定性等挑战。未来研究应聚焦于多层次结构设计、表面功能化、绿色合成方法以及与其他能源技术的集成。通过结合计算模拟、机器学习和先进原位表征，可加速新一代超级电容器的开发，为实现全球能源可持续发展提供重要支撑。