综述：MXene（Ti3C2Tx）与碳基杂化材料在合成、性能及储能应用中的技术挑战综述

《Journal of Energy Storage》：A review on technical challenges in synthesis, properties, and energy storage applications of MXene (Ti 3C 2T x) and carbon-based hybrid materials

　　

全球能源需求持续增长、周期性供应中断以及日益加剧的环境压力，凸显了开发低成本、可规模化且可持续的储能材料与技术的迫切性。在多种先进材料中，Ti₃C₂T_x（MXene）作为一种二维（2D）过渡金属碳化物，因其高电导率、亲水性以及层状结构而成为极具前景的候选材料。相比之下，纯碳材料表现出优异的稳定性（1000–15,000次循环后保留率约为95–98%），但其比电容相对中等（约126–250 F g^?1）。将MXene与碳基材料，如碳纳米管（CNTs）、石墨烯以及生物质衍生碳进行杂化，可有效弥合这一性能差距，使比电容达到约87–1284 F g^?1，并在5000–25,000次循环中实现最高100%的循环稳定性。本综述聚焦于Ti₃C₂T_x-碳杂化材料及其通过自上而下与自下而上方法实现的合成策略，包括机械加工、原位修饰（in-situ decoration）、热处理和自组装。尽管既往综述已对MXene基复合材料进行了广泛概述，但本研究独特地采用了基于方法的“挑战-影响-解决方案”（Challenge-Impact-Solution）框架，以关联合成局限、电化学效应与针对性的缓解策略。对近期综述文献的比较评估进一步明确了本研究的独特贡献。本综述还提出了克服合成限制的未来方向，特别是推动可规模化、耐久且高性能的MXene-碳杂化材料用于下一代储能系统。

1. Introduction

文章首先从全球能源转型背景切入，指出工业化与人口增长推动了能源需求快速攀升，而当前储能技术仍受制于高成本、寿命有限、自放电率高和功率密度不足等问题。文中进一步结合国际能源部署目标，强调发展先进电极材料对于下一代储能系统的重要性。作者指出，二维（2D）材料由于原子级层状结构而适用于高性能储能器件，但石墨烯和过渡金属二硫属化物普遍存在表面功能化能力有限与片层重堆积等问题，制约离子可达性。

随后，作者系统介绍了MXene家族，特别是Ti₃C₂T_x的结构组成、表面端基和性能来源。其通式为M_n+1X_nT_x，其中表面端基（–OH、O、F）对力学、电学与离子扩散动力学具有决定性影响。文中强调，Ti₃C₂T_x兼具高电导率、丰富表面官能团与赝电容储能特征，但大规模应用仍受到重堆积、氧化、循环稳定性不足及规模化制备受限等问题制约。基于此，作者提出将MXene与碳纳米材料复合，可通过提升结构稳定性、导电性和比表面积来克服这些瓶颈，并明确本综述的核心目标是围绕Ti₃C₂T_x-碳杂化体系，构建“挑战-影响-解决方案”分析框架。

2. Methodology of review

该部分说明了综述的文献筛选方法。研究人员以Scopus数据库为核心来源，检索时间跨度覆盖2011年至2026年，以保证囊括MXene自首次报道以来的主要研究进展。检索策略分为两个阶段：首先使用“MXene”“Carbon”“Hybrid”“Nanocomposites”等关键词开展广义筛选，再进一步将“MXene”限定为“Titanium-based MXene”，以聚焦Ti₃C₂T_x相关研究。经题目、摘要及全文评估后，保留有限数量的核心文献用于以合成为中心的分析，同时辅以引文追踪和人工补充筛选。

作者还比较了近期代表性综述的关注重点，指出既有工作多强调性能优化、结构设计或应用分类，而对Ti₃C₂T_x-碳杂化材料的合成路径、技术瓶颈及其与性能之间的内在关联讨论不足。本综述因此在研究视角上更强调合成困难的机理分析及其对工程转化的影响。

3. Synthesis method of hybrid MXene-carbon materials

本节是全文主体之一，围绕MXene-碳杂化材料的制备技术展开。作者将相关方法划分为自上而下与自下而上两大路线，并指出常见碳组分包括石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、硬碳、活性炭、碳布和碳点等。总体上，制备通常包括两步：先由MAX相选择性刻蚀获得MXene，再通过不同工艺实现与碳材料的杂化。

3.1. Top-down method

3.1.1. Mechanical process

在机械法部分，作者重点讨论了真空辅助过滤与球磨。真空辅助过滤（VAF）能够借助压差构筑无粘结剂柔性复合膜，使MXene与碳材料形成一体化电极结构。文中以Ti₃C₂T_x/碳纳米纤维（CNFs）夹层膜为例，说明该方法可提升润湿性、活性表面积和机械强度，并显著提高比电容。球磨则通过机械碰撞促进MXene表面官能团与碳相之间形成界面耦合，例如硬碳/MXene/TiO₂异质结构可用于钠离子电池并表现出较高容量。

3.1.1.1. Technical challenges in the mechanical process

作者进一步指出，VAF在高负载下易导致MXene片层重堆积和致密化，降低离子传输与电解液浸润能力，还可能因膜层脆化而开裂；球磨则存在污染、氧化、结构缺陷累积、产率低和重复性不足等问题。文章特别强调，球磨造成的缺陷具有双刃剑效应：适度缺陷可增加活性位点，但过度破坏会损害导电通路并加速容量衰减。因此，机械法的核心在于平衡结构保持与界面工程之间的关系。

3.2. Bottom-up method

3.2.1. Thermal treatment

热处理法包括水热、快速焦耳加热（rapid Joule heating）和微波辅助处理。作者首先梳理了Ti₃C₂T_x在不同温区下的热稳定性与相变规律，指出其在惰性气氛下具有一定高温稳定性，但升温会伴随层间水脱除、端基解吸以及向TiC_y等相转变。水热法可在高温高压条件下促进复合物形成，例如Ti₃C₂T_x/CNT杂化体系中，CNT可原位生长并构建三维导电网络。快速焦耳加热则是一种无溶剂策略，能够在惰性环境中通过瞬时热冲击实现MXene表面金属纳米颗粒均匀负载，并有助于抑制氧化。微波法利用材料对电磁能的吸收实现快速升温，可诱导碳源和催化剂前驱体分解并促进CNT原位生成。

3.2.1.1. Technical challenges in the thermal treatment method

该部分指出，水热法虽温度相对较低，但仍可能引发MXene层内Ostwald熟化、结构缺陷和机械不稳定；同时还面临高压安全、重堆积、表面功能化控制不足等问题。快速焦耳加热在热冲击控制、温度分布均匀性、前驱体适配性和规模化连续生产方面仍受限制。微波处理则可能因局部过热、样品形貌不规则或导电组分反射微波而导致加热不均。此外，高温下MXene热亚稳性和氧化倾向依旧是制约因素。

3.2.2. In-situ decoration

原位修饰通过在MXene表面直接生成碳基组分或其他活性相，以形成化学结合更紧密的界面。文中涉及原位碳化、化学气相沉积（CVD）及原位聚合等方式。例如，在MXene表面生长CNT可建立连续导电网络；Ti₃C₂/聚苯胺纳米管（PANI-NTs）层级复合结构则能通过静电作用与氢键作用抑制重堆积、扩大层间距并改善离子可达性。作者还强调，界面作用机制如氢键、π-π堆积和共价连接并非仅具结构意义，而是直接影响电荷转移阻抗、电子传输连续性和循环稳定性。

3.2.2.1. Technical challenges in in-situ decoration

文章指出，原位修饰的挑战主要在于界面化学强度、形貌均匀性、氧化控制和工艺复杂性。若MXene与碳相之间缺少足够强的共价或π-π耦合，容易在循环过程中产生电荷传输受阻和层间剥离。CVD过程中，高温会加速Ti₃C₂T_x氧化，催化颗粒尺寸及前驱体分解速率波动还会导致CNT覆盖不均。对于PANI等聚合体系，单体浓度和氧化剂控制同样关键，否则会阻碍离子扩散并提高内阻。

3.2.3. Self-assembly

自组装法依赖静电作用、氢键和范德华力等分子间相互作用，在MXene与带相反电荷的碳纳米组分之间构筑有序层状结构。文中介绍了MXene/CNT多孔复合纸电极以及MXene/rGO柔性薄膜等实例，说明该法有助于防止片层重堆积、扩大层间距并提升导电性。作者还举例说明了MXene与层状双氢氧化物的面-面静电自组装，强调此类方法可获得规则的分层异质结构和优异的体积储能性能。

3.2.3.1. Technical challenges in the self-assembly method

自组装面临的主要问题包括高质量单层Ti₃C₂T_x剥离困难、溶剂兼容性不足、表面电荷调控复杂，以及组装过程中再次聚集。片层重堆积会压缩离子扩散通道并增大内阻，而若碳组分未能提供足够的静电支撑，则可能仅作为惰性填料存在，无法发挥间隔层作用。作者认为，这些因素共同限制了自组装法的重复性、通量和商业可行性。

3.3. Cross-cutting technical constraints and scalability considerations

在方法分类讨论基础上，作者总结了贯穿各类工艺的共性约束，包括可规模化程度、产率、成本、环境与安全性。机械法具有流程简单优势，但界面控制有限；自下而上策略结构调控更精准，却往往依赖高温、高压或多步流程。尤其值得注意的是，含氟刻蚀剂所带来的安全与环境问题，使得绿色、无氟、低危工艺成为未来工业化的重要方向。

4. Properties of hybrid MXene materials

该部分从结构-性能关系角度总结了MXene-碳杂化材料的力学、热学和电学特征。作者认为，碳组分的引入通过扩大层间距、抑制重堆积和构建连续导电网络，显著改善了离子扩散、界面电荷转移和循环稳定性。在力学方面，表面端基和界面耦合提高了复合材料的韧性、抗裂性和抗分层能力，这对于柔性储能器件尤为重要。结构表征部分指出，X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱可有效揭示层间距变化、孔结构形成及缺陷调控对电化学性能的影响。

热学性质方面，热重分析表明Ti₃C₂T_x在氧化气氛与惰性气氛下具有不同失稳路径，而碳包覆和三维多孔骨架可延缓热降解并改善热传导。电学性质部分强调，MXene的高费米能级电子密度和表面端基调控共同决定其导电行为；与CNT、石墨烯等复合后，体系可兼具高电子迁移能力和优良离子传输通道。作者同时指出，性能研究当前仍受限于热学数据不足、环境稳定性差以及储能机理认知仍需深化等问题。

5. Comparison with conventional MXene and graphene material

作者在本节将MXene与石墨烯进行比较。MXene因表面含–OH、F等官能团而天然亲水，便于水相加工与进一步表面修饰；石墨烯则偏疏水，易团聚且化学惰性较强。文章认为，MXene在共催化活性、化学可调性和部分储能性能方面具有明显优势，而石墨烯在机械强度和交流电导方面更突出。总体而言，两者各具特征，但就界面可设计性和多功能储能应用而言，MXene显示出更高潜力。

6. Application of hybrid MXene materials

6.1. Energy storage devices

本节概述MXene-碳杂化材料在金属离子电池与超级电容器中的应用价值。作者指出，二维材料能够兼顾柔性、可调性与高集成度，但其复杂制造和高成本仍限制规模化。

6.2. MXene-hybrid in metal-ion batteries

在金属离子电池中，Ti₃C₂T_x的层状结构、快速电荷传输与低扩散势垒使其成为有前景的负极材料。文中强调其储能机制通常包含表面控制赝电容反应与扩散控制离子嵌入的耦合，因此兼具高倍率能力与类电池容量。通过引入CNT、rGO、碳纳米纤维等碳骨架，可显著缓解重堆积、缩短离子扩散路径并缓冲循环应力，从而提升容量保持率和长循环稳定性。不过，长期循环中的结构致密化、表面氧化及固体电解质界面生成仍是重要限制因素。

6.3. Supercapacitors

在超级电容器中，MXene具备高电导率、大体积电容和亲水表面，但层间重堆积及高负载下离子再沉积会削弱倍率性能与长期稳定性。通过与CNT、rGO、GO、多孔碳、碳量子点等复合，可同时利用MXene赝电容和碳材料双电层电容（EDLC）优势，构建具有高比电容、高倍率响应和优异循环寿命的复合电极。作者特别强调，碳材料在此不仅是导电相，更是维持层间开放结构和降低内阻的关键支撑框架。

7. Technical challenges, impact, and potential solutions

作者系统总结了聚集、氧化、重堆积、降解与可规模化等核心瓶颈，并讨论其对离子可达性、电荷传输、循环稳定性和产业化的影响。针对这些问题，文章归纳了多种可能的缓解策略，如利用CNT、石墨烯或多孔碳作为导电间隔层，引入聚合物或表面钝化层提高抗氧化能力，采用无氟刻蚀和连续化制备改善环境友好性与工业可行性。作者还进一步提出研究方向，包括发展抗氧化结构、构筑分级多孔体系、强化界面黏附、利用生物质碳降低成本，以及开展更系统的理论建模、环境风险评估和技术经济分析。

8. Conclusions and perspectives

在总结部分，作者重申Ti₃C₂T_x-碳杂化是释放MXene储能潜力的关键路径。该综述的主要贡献在于围绕机械法、原位修饰、热处理和自组装四类合成技术，建立了面向方法的“挑战-影响-解决方案”框架，并将合成局限与电化学功能直接关联。文章认为，自组装与原位杂化因界面可控、分散均匀和有利于形成导电多孔结构而最具前景，但氧化敏感性仍是首要瓶颈，重堆积与规模化合成问题同样亟待解决。未来应重点推进表面钝化、碳包覆、分级孔结构设计以及绿色无氟制备工艺，以支撑MXene-碳杂化材料从实验室走向实际储能器件与产业化应用。