二维材料在超级电容器应用中的前沿进展与储能机制解析

本刊推荐研究人员针对当前超级电容器电极材料存在的能量密度低、循环稳定性差及离子传输效率受限等问题，系统开展了基于二维材料（如MXenes、MOFs、COFs、MBenes及LDHs）的复合结构设计及储能机制研究。通过材料合成优化、结构表征及电化学性能测试，证实这些材料展现出高比电容、优异倍率性能和长循环寿命，为新一代高性能超级电容器的开发提供了重要理论和实验依据，对推动清洁能源存储技术发展具有显著意义。

　　

随着全球能源消费的持续增长以及化石燃料依赖导致的环境问题日益严峻，开发清洁、可持续的能源解决方案已成为社会发展的迫切需求。可再生能源虽然潜力巨大，但其间歇性特性要求发展高效、稳定的能源存储技术以平衡供需矛盾。在众多电化学储能系统中，超级电容器（Supercapacitors, SCs）因具有高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命等优点而备受关注。然而，传统超级电容器材料如活性碳、金属氧化物和导电聚合物等，在实际应用中仍面临能量密度低、速率性能差和循环稳定性不足等问题。

为突破这些瓶颈，近年来二维材料（Two-dimensional materials, 2D materials）的出现为超级电容器的发展注入了新的活力。这类材料包括过渡金属二硫属化物（TMDs）、MXenes、层状双氢氧化物（LDHs）、金属硼化物（MBenes）以及多孔框架材料如金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs），它们以其独特的层状结构、高比表面积、可调的电子结构和表面化学性质，显著提升了电荷存储效率和离子传输动力学，成为高性能超级电容器电极材料的研究热点。

本研究由Arjun Kumar Bojarajan、Sivagaami Sundari Gunasekaran、Sai Kishore Ravi、Ali H. Al-Marzouqi、Fathy M. Hassan和Sambasivam Sangaraju合作完成，发表在《RENEWABLE》上。研究系统综述了二维材料在超级电容器中的应用进展，重点探讨了材料合成策略、结构设计、性能优化以及复合系统的协同效应，并强调了先进原位表征技术在揭示电荷存储机制和材料稳定性方面的关键作用。

为开展本项综述研究，作者团队主要采用了文献调研与系统归纳的方法，结合材料合成、结构表征和电化学测试等多维度技术手段，对各类二维材料的制备、改性及性能进行了全面分析。关键技术方法包括：水热/溶剂热合成、微波辅助合成、电化学合成等材料制备技术；X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等形貌与结构表征；循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）、电化学阻抗谱（EIS）等电化学性能测试；以及原位拉曼光谱、原位XRD和电化学石英晶体微天平（EQCM）等动态表征技术，用以实时监测材料在电化学过程中的结构演变和离子传输行为。

研究结果部分主要分为以下几个方面：

一、二维纳米材料的发展

二维纳米材料因其优异的物理化学特性、高比表面积和可调控功能而改变了材料科学的研究格局。从最初以石墨烯为主的研究，已扩展到MXenes、LDHs、MOFs、COFs以及新兴的MBenes等多种材料。这些材料凭借其独特的结构和卓越的性能，在超级电容器、电池、传感和环境修复等领域展现出广阔的应用前景。

二、金属与共价有机框架

MOFs和COFs作为新兴多孔材料，因其可调的孔隙率、高比表面积和化学适应性，在超级电容器应用中显示出巨大潜力。MOFs由金属节点和有机连接体组成，具有结构适应性和高离子电导率，适用于电极材料和赝电容储能。COFs则完全由共价键连接 light 元素构成，表现出优异的结构稳定性、高比表面积和定制化的孔拓扑结构，其π共轭结构有利于有效的电荷传输，而引入氧化还原活性基团则可增强电容性能。研究还探讨了MOFs与石墨烯、碳纳米管（CNTs）等材料的复合，以及MOF作为牺牲模板衍生的纳米结构，这些复合材料在提升导电性和热稳定性方面表现出显著优势。

三、MXenes

MXenes自2011年首次报道以来，作为一类具有二维结构、高电导率和可调表面功能化的材料，在能量存储、催化和传感等领域引起了广泛关注。其中Ti₃C₂T_x因具有优异的电导率和电化学性能而被广泛研究。MXenes的通式为M_n+1X_nT_x，其中M代表过渡金属，X为碳或氮，T_x为表面终止基团（如-OH、-F、=O）。MXenes的层间间距可调，有利于离子的嵌入和脱出，从而提升能量存储能力。研究还发现，通过元素取代（如V₃CrC₃T_x>x