综述：直接空气捕获技术的场景特定应用与系统优化方法

本综述系统探讨了二维（2D）材料（如MXenes、MOFs、COFs、MBenes及LDHs）在超级电容器（SCs）中的前沿应用，重点分析了其合成策略、结构设计与性能优化技术，强调了复合系统的协同作用与先进原位（in-situ）表征技术（如光谱学、电化学测量）在揭示电荷存储机制和材料稳定性中的关键作用，为开发高性能、可持续能源存储设备提供了重要参考。

　　

引言

全球能源消耗快速增长，依赖化石燃料导致环境问题加剧，迫切需要清洁可持续的能源解决方案。可再生能源的间歇性特性要求开发高效、有弹性的能源存储技术，以平衡供需差异。超级电容器（SCs）和电池已成为最有前景的电化学储能解决方案。电池具有高比能量（E_s），但循环性能和比功率（P_s）较低；超级电容器则分为静电双层电容器（EDLCs）、伪电容器和混合超级电容器。EDLCs通过静电、非法拉第机制存储能量，在电极与电解质界面形成电荷双层，不涉及电子转移或电荷载流子扩散，仅依赖电极表面离子的物理吸附和解吸，实现快速充放电行为，具有优异的功率密度、快速充放电能力和极长的循环寿命，但能量密度相对较低。伪电容器通过快速可逆的氧化还原过程存储电荷，涉及电极与电解质之间的离子交换，类似于电池中的氧化还原过程，但无相变发生，电荷积累由电极接触的表面控制过程决定，离子快速穿过 electric double layer 并参与法拉第过程，产生法拉第电流并增强能量存储容量，比EDLCs提供显著更高的能量密度，但通常循环寿命较短、功率密度较低。混合超级电容器通过静电和电化学机制的协同整合存储能量，利用EDLC型可极化电极和伪电容器型非可极化电极，这种双重机制促进了法拉第和非法拉第电荷存储的同时存在，从而扩大了工作电压范围，提高了能量和功率密度，并相对于传统EDLCs和伪电容器具有优异的循环稳定性。

二维纳米材料的发展

二维（2D）纳米材料因其特殊的物理化学性质、高比表面积和可调功能而改变了材料科学。研究最初主要集中在石墨烯上，现已扩展到包括MXenes、层状双氢氧化物（LDHs）、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和新型MBenes等多种材料。这些材料以其独特的结构和卓越的性能而著称，使其在超级电容器、电池、传感和环境修复等领域极具吸引力。MXenes以其金属碳化物结构和卓越的导电性，在能源和电子领域展现出非凡潜力；MOFs和COFs具有晶体结构和模块化可调性，在催化中非常有效；LDHs凭借其层状结构和阴离子交换特性，在吸附和催化中具有重要意义；近年来，MBenes作为MXenes的硼化物类似物，因其有利的电子和化学性质而引起关注，拓展了二维材料的潜在应用。

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而成为超级电容器中可行的材料。MOFs由金属节点和有机连接体组成，提供结构适应性和高离子导电性，使其成为电极材料和伪电容能源存储应用的有吸引力的选择。它们承载氧化还原活性物种和促进快速离子传输的能力增强了其电化学效能。同样，COFs完全由共价连接的轻元素组成，表现出显著的结构稳定性、高比表面积和定制孔拓扑结构。它们的π共轭结构促进有效的电荷传输，而氧化还原活性基团的整合增强了电容。COFs的固有稳定性和低密度使其适用于具有长循环寿命的超级电容器。

MOFs与二维复合物

金属有机框架（MOFs）与二维材料（如MXenes、石墨烯、过渡金属二卤化物（TMDs）和其他二维复合物）的组合通过利用它们的互补特性显著增强了能源存储性能。MOFs贡献高孔隙率和可调比表面积，提供丰富的活性位点，而二维材料提供卓越的导电性、机械稳定性和快速电子传输路径。这种杂交导致更高的电荷存储容量、更快的离子扩散和改善的循环稳定性，解决了单个材料的局限性。此外，MOFs作为结构间隔物，防止二维材料的重新堆叠，从而保留其电化学活性表面。这些复合物的功能化允许增强润湿性、氧化还原活性和定制的电化学行为，优化它们在超级电容器、锂离子电池和电催化等应用中的性能。

共价有机框架

共价有机框架（COFs）是通过强共价键形成的晶体多孔聚合物，提供结构、功能和稳定性的显著可调性。自2005年引入以来，COFs已发展成为连接多孔聚合物和无机框架（如金属有机框架（MOFs））的重要材料类别。它们系统排列的π共轭结构、高比表面积和可调孔拓扑结构使其成为能源存储应用的理想候选者，特别是在超级电容器中。COFs的历史演变与二维材料的进步密切相关，因为研究人员旨在利用其层状结构和固有导电性用于电化学应用。

MXenes

MXenes于2011年首次报道，作为一类多功能的二维材料引起了广泛关注。它们独特的二维结构、卓越的导电性和可定制的表面功能使其在能源存储、催化和传感等领域得以应用。第一个MXene分子Ti₃C₂T_x是在2010年代初通过从堆叠的MAX相中选择性提取铝而合成的。这些材料由过渡金属碳化物和氮化物组成，以其适应性组成和可调表面特性为特征。Ti₃C₂T_x是研究最广泛的MXene，因其卓越的导电性和优异的电化学特性而适用于超级电容器和电池。

MBenes

MBenes是一类新型的二维（2D）材料，作为已建立的MXenes的扩展而出现。MBenes在理论上被假设为MBene型材料，与MXenes具有结构相似性，但源自早期过渡金属硼化物而不是碳化物或氮化物。2017年初，Sun及其同事发现了MBenes。MBenes的命名遵循与MXenes相同的命名法，其中“M”表示过渡金属，“Benes”源自硼，即组成中的主要非金属元素。MBenes的概念源于2010年代中后期的理论研究，强调了它们作为电子、能源存储和催化应用的可行候选者的潜力。

层状双氢氧化物

钴氢氧化物合成的高成本和毒性阻碍了其经济可行性和商业应用，促使用其他金属元素替代钴作为优化材料性能的常见策略。金属离子掺杂或阳离子掺杂通过改变微观结构、增加反应位点、促进电子传递以及与钴离子一起积极参与氧化还原过程来增强导电性和循环稳定性，从而减少能量损失并改善氧化还原反应的动力学。

超级电容器的原位研究

超级电容器的现代发展因其延长循环寿命和简单制造而成为最有前途的能源存储设备之一。为了增强其性能和稳定性以实现实际应用，必须全面了解在充放电循环期间发生的电化学和结构变化。然而，传统的非原位表征方法尽管有益，但仅产生静态数据，并不反映电极材料中的实时变化。相反，原位技术，包括原位拉曼光谱、原位X射线衍射（XRD）、原位透射电子显微镜（TEM）和原位电化学阻抗谱（EIS），提供了在操作条件下超级电容器动态电化学行为的关键见解。这些技术允许实时观察相变、电子结构变化、离子传输过程和降解途径，从而有助于高性能能源存储材料的系统设计。

结论与未来方面

二维（2D）材料，包括MXene、MOFs、共价有机框架（COFs）和MBenes，代表了超级电容器应用的变革性材料类别。它们卓越的性能，如高比表面积、可调电子结构、层状结构和多功能功能化能力，使它们在推进电化学能源存储技术中不可或缺。这些材料通过结合高比表面积用于静电能源存储、坚固框架用于机械稳定性和氧化还原活性位点用于增强伪电容性能，独特地解决了传统电极材料的关键挑战。尽管取得了显著进展，但必须解决几个挑战以充分利用二维材料在超级电容器应用中的潜力。可扩展性仍然是一个主要瓶颈，特别是对于MXenes和MBenes等材料，其中合成过程涉及复杂的蚀刻或高温反应，难以经济地扩大规模。生产过程中的环境问题，如有害副产物和高能耗，也需要减轻。

未来的研究应侧重于设计分层架构，如多尺度结构，整合宏观、介观和微孔特征，以最大化离子可及性和活性位点利用，同时保持结构完整性。原子层沉积、自组装和3D打印等先进技术可能提供制造复杂电极架构的新方法。将二维材料与其他纳米结构（如纳米线或量子点）结合也可能创建具有卓越性能指标的混合系统。

表面工程将在优化二维材料的电化学性能中发挥关键作用。用特定基团功能化MXenes和MBenes以调整其亲水性、导电性或氧化还原活性可能导致具有定制性能曲线的材料。类似地，将杂原子纳入MOFs、COFs和LDHs中可以引入新的氧化还原活性位点或增强离子传输路径。

开发环保且成本效益高的合成方法对于大规模部署至关重要。例如，用于生产MXenes和MBenes的绿色化学方法，或用于MOFs和COFs的低温合成技术，可以显著减少环境影响。解决可扩展性还涉及提高二维材料在大规模生产中的均匀性和质量，同时最小化材料浪费。

将二维材料集成到柔性和可穿戴应用（如光电探测器、传感器和自供电设备）以及多功能超级电容器代表了一个令人兴奋的前沿。通过利用其机械灵活性和可调特性，二维材料可以融入智能纺织品、生物医学设备或能源自主系统。此外，将超级电容器与其他能源存储技术（如锂离子电池或燃料电池）结合可能创建具有增强性能和多功能性的混合能源系统。

先进的原位方法使研究人员能够在实际操作条件下探索离子动力学、电极行为和故障机制。例如，原位X射线衍射的整合允许在充电和放电循环期间可视化结构变化，而操作光谱技术提供对氧化还原反应和表面现象的见解。电化学石英晶体微天平（EQCM）和X射线吸收光谱对于监测离子动力学、膨胀行为和降解途径至关重要。这种全面的理解促进了有针对性的材料改进和设备优化。

最终，二维材料的进步，从MXenes到MBenes，为革命性超级电容器技术提供了前所未有的机会。尽管在可扩展性、材料稳定性和能量密度优化方面仍存在挑战，但在材料设计、操作表征和可持续制造方面的持续进步持有巨大承诺。随着研究人员弥合实验室创新与现实应用之间的差距，二维材料注定在构建可持续能源未来中发挥核心作用。通过应对这些科学和技术挑战，二维材料不仅将重新定义超级电容器的性能边界，而且还将为实现全球能源可持续性做出重大贡献。