受传统砖石结构启发的Ti3C2T与MXene复合薄膜，用于制造高性能柔性超级电容器

《Applied Surface Science》：Brick-mortar-inspired Ti 3C 2T x MXene composite film for high-performance flexible supercapacitors

MXene复合薄膜通过生物基粘合剂与导电增强材料的协同设计实现高电容与机械柔韧性，紫外光照下电容提升21.6%。

　　近年来，随着可穿戴电子设备和微型集成系统的快速发展，超级电容器（SCs）因其高功率密度、长循环寿命和优异的机械灵活性，逐渐成为这些技术的关键能量供应组件。然而，在实际应用中，超级电容器仍然面临两个主要挑战：电极材料的比能量密度不足以及在复杂形变下机械灵活性不够。因此，寻找一种既能提升电化学性能，又能增强机械稳定性的新型材料成为研究的重点。

MXenes，作为一类二维过渡金属碳化物/氮化物，因其出色的导电性和独特的层状结构，在超级电容器领域展现出巨大的潜力。MXenes通常由MAX相材料通过选择性蚀刻得到，其表面富含氧化物和氮化物基团，为电化学反应提供了丰富的活性位点。在众多MXene材料中，Ti?C?Tx因其优异的赝电容性能，成为研究的热点。然而，MXene纳米片之间的范德华力和氢键作用会导致不可逆的堆叠，从而降低活性位点的可及性和离子扩散效率。此外，MXene本身较为脆弱，缺乏可塑性，这使得其在制备和应用高性能宏观MXene薄膜时受到限制。因此，如何通过结构设计策略，实现电化学和机械性能的协同优化，成为当前研究的重要方向。

为了解决这些问题，研究者们采用了多种策略对MXene薄膜进行优化。其中，一种较为常见的方法是通过引入功能化间隔物，利用氢键、离子键或共价键等相互作用，在MXene层之间形成稳定的结构。这些功能化间隔物包括碳纳米管、羧甲基纤维素、纤维素纳米纤维、石墨烯、富勒烯、金属氧化物纳米颗粒以及聚合物PVA等。例如，Xu等人通过明胶插入和碳化工艺，制备了碳点插层的MXene薄膜，实现了比能量密度的提升。而M. Xu和Y. Gogotsi等人则利用结节状碳纳米管骨架，构建了三维MXene网络，实现了优异的循环稳定性和低温性能。Ho等人通过引入BC@PPy纳米纤维，提升了MXene的面积比电容。然而，这些方法在提升性能的同时也存在一定的局限性，例如部分导电间隔物可能削弱机械强度，而绝缘性聚合物或纤维素衍生物可能通过空间位阻效应阻碍MXene的活性位点，导致性能下降。此外，凝胶致密化策略虽然能够增强强度，却限制了离子的移动性。因此，如何开发一种多功能间隔物，既具备良好的导电性，又能增强机械性能，成为当前研究的重要目标。

基于这一背景，本文提出了一种“砂浆-砖块-钢筋”的仿生设计策略，灵感来源于建筑结构中的钢筋混凝土设计。通过将羧基化纤维素纳米纤维（CCNFs）作为生物基粘合剂/层间间隔物，以及银纳米线（Ag-NWs）作为导电和结构增强材料，构建了一种具有协同作用的MXene复合（MAC）薄膜。CCNFs具有丰富的羟基（-OH）和羧基（-COOH），能够与MXene表面的羟基/氧基（-OH/-O）形成密集的氢键网络，从而有效防止MXene纳米片的堆叠，扩大层间空间，构建无阻塞的离子扩散通道。Ag-NWs则作为“纳米钢筋”，通过物理插层和弱界面相互作用，随机穿透MXene/CCNFs的层间和网络间隙，形成三维连续的导电路径，这不仅补偿了CCNFs可能带来的导电性损失，还增强了复合薄膜的抗拉性和弯曲性能，使其能够满足柔性设备的形变要求。此外，Ag-NWs表面的氧化层（Ag-O）与MXene/CCNFs的羟基形成弱的O-H…O氢键，确保其在复合材料中的均匀分散，避免团聚。

通过这种协同的结构设计，本文实现了MAC复合薄膜的优化，其比电容在2 mV/s的扫描速率下达到432 F/g，相比原始的Ti?C?Tx MXene薄膜（213 F/g）提升了103%。这一提升主要归因于CCNFs形成的氢键网络有效防止了MXene纳米片的堆叠，从而提高了活性位点的可及性和离子扩散效率。此外，MAC复合薄膜在6500次循环后仍能保持94.8%的电容保持率，显示出其优异的循环稳定性。这表明，通过合理的结构设计，可以有效提升MXene基超级电容器的性能。

值得一提的是，在紫外灯照射下，MAC超级电容器的比电容进一步增加，达到90 F/g，比未照射时提升了21.6%。这一性能提升主要来源于等离子体诱导加热效应带来的离子扩散加速。通过这种设计，不仅能够增强电化学性能，还能提高机械稳定性，从而为可穿戴电子设备提供一种高效、稳定的能量存储解决方案。

本文采用了一种可扩展且简便的真空辅助过滤方法，成功制备了具有三维结构的MAC复合膜。通过整合CCNFs作为粘合剂和Ag-NWs作为导电增强材料，构建了具有协同作用的“砂浆-砖块-钢筋”结构。这一结构不仅提升了电化学性能，还增强了机械稳定性，使其能够满足柔性设备的形变需求。同时，该设计还提供了一种通用的策略，用于克服二维材料在柔性设备中的固有局限性。

通过这种设计，本文在提升MXene基超级电容器性能的同时，也探索了其在智能能源存储系统中的应用潜力。在实际应用中，MXene基超级电容器不仅可以用于可穿戴设备，还可以拓展至柔性电子、智能传感器、柔性显示屏等领域。这些应用对电容器的比能量密度、循环寿命和机械灵活性提出了更高的要求。因此，开发一种既能提升电化学性能，又能增强机械稳定性的MXene基超级电容器，对于推动可穿戴电子设备的发展具有重要意义。

此外，本文的研究还揭示了MXene基超级电容器在不同环境条件下的性能表现。例如，在紫外灯照射下，MAC复合薄膜的比电容显著增加，这表明其在光响应型能量存储系统中具有良好的应用前景。这一发现不仅拓展了MXene基超级电容器的功能性，还为其在智能电子设备中的应用提供了新的思路。通过引入光响应性材料，MXene基超级电容器可以实现对环境刺激的响应，从而在智能穿戴设备、自供电传感器、光驱动电子系统等领域发挥重要作用。

本文的研究还强调了材料设计在提升超级电容器性能中的关键作用。通过合理的材料选择和结构设计，可以有效克服MXene基材料的固有缺陷，例如导电性不足、机械稳定性差等问题。CCNFs作为生物基粘合剂，不仅能够提供良好的机械性能，还能通过氢键网络增强MXene纳米片的分散性，提高其比表面积和活性位点的可及性。Ag-NWs作为导电增强材料，不仅能够提供额外的导电路径，还能通过其刚性结构增强复合薄膜的抗拉性和弯曲性能，使其能够满足柔性设备的形变需求。

综上所述，本文提出了一种基于“砂浆-砖块-钢筋”结构的MXene复合薄膜设计策略，成功实现了电化学性能和机械稳定性的协同优化。该设计不仅提升了超级电容器的比电容和循环寿命，还为可穿戴电子设备提供了一种高效、稳定的能量存储解决方案。未来，随着材料科学和纳米技术的不断发展，MXene基超级电容器有望在更多领域得到应用，为智能电子设备的发展提供更强有力的支持。