通过快速焦耳加热，碳点增强微爆炸技术实现了对离子可穿透且导电性极高的MXene薄膜的改性

《Journal of Colloid and Interface Science》：Carbon dot enhanced micro-explosion for ion-accessible and highly conductive MXene films via fast joule heating

本文提出一种结合快速焦耳加热与碳点（CDs）的协同策略，用于构建致密且离子可及的MXene薄膜。通过静电组装将超小CDs锚定在MXene纳米片上，并在加热过程中实现气体快速释放和局部微爆炸效应，形成大孔同时增强整体致密性，解决了导电性提升与离子传输受限及氧化降解的矛盾。实验表明，优化后的CDs/MXene薄膜在0.1 A/g下的比电容提高49%，电导率提升549%，并具有优异的倍率性能。

　　

陈伟民|张中琼|杨强|徐子怡|黄鹏|杨佩|周晓燕

南京林业大学森林资源高效加工与利用协同创新中心，中国南京210037

摘要

热处理常用于通过诱导结构重构来提高MXene薄膜的储能性能。然而，这种处理方法会进一步使原本堆叠紧密的纳米片层变得更加致密，从而限制离子传输，并可能引发氧化反应，导致活性位点退化。这些相互关联的不利影响往往被忽视。本文提出了一种协同策略，结合快速焦耳加热和碳点（CDs）来制备既致密又具有离子传输能力的MXene薄膜。静电组装将超微小的碳点固定在MXene表面，而不影响其紧密堆积结构。在二次尺度的焦耳加热过程中，碳点和MXene共同释放气体，引发局部微爆炸效应，形成宏观孔隙，同时增强整体致密性，这既创造了可利用的离子传输通道，又保持了致密区域内的快速电子传导。此外，碳点通过锚定在缺陷丰富的位点上并形成富碳界面层来抑制MXene的氧化，从而保护活性位点。经过优化处理的CDs/MXene薄膜比未处理样品的比电容提高了约49%（在0.1 A/g电流下为486 F/g），电导率提高了549%，并且在10 A/g电流下的电容保持率达到了75.4%。这项工作证明了碳点作为主动的热结构调节剂，能够从根本上打破热处理MXene薄膜中电导率提升与离子传输能力之间的固有矛盾。

引言

二维（2D）过渡金属碳化物和氮化物，即MXenes，由于其高电导率、可调的表面化学性质以及丰富的氧化还原活性位点，已成为电化学储能领域极具前景的电极材料[1]、[2]、[3]。自首次报道Ti?C?T?以来，MXenes已被广泛研究用于超级电容器、锂离子电池、钠离子电池等电化学系统[4]、[5]。特别是Ti?C?T? MXene具有由导电碳化物层组成的层状结构，表面带有O、OH和F等官能团，这些官能团赋予了它双电层电容和伪电容储能特性[6]、[7]、[8]。这种独特的结构使其在基面内实现快速电子传输，并在表面高效吸附离子，使其成为高功率储能设备的理想选择。

将MXene纳米片组装成独立薄膜是一种实用且可扩展的电极制备方法。MXene薄膜可通过真空辅助过滤或相关溶液处理方法轻松制备，得到致密无粘合剂的电极，具有高体积电容[9]、[10]。更重要的是，MXene薄膜具有优异的机械柔韧性和结构完整性，能够承受反复弯曲和变形而不显著降低性能。这些特性使其特别适合用于需要高电导率、机械强度和可加工性的柔性及可穿戴储能设备[11]、[12]。

为了进一步提升MXene薄膜的电化学性能，热处理被广泛用作有效的后处理方法。先前的研究表明，适当的热处理可以部分去除表面官能团，减少缺陷密度，并提高电导率，从而提升电容性能[13]、[14]。然而，与MXene薄膜热处理相关的几个关键问题尚未得到充分解决。首先，插层的水分子和含氧官能团的去除通常会导致层间间距显著减小，使MXene纳米片层更加紧密堆积。虽然有利于电子传输，但这种致密化会阻碍电解质离子扩散，限制表面活性位点的利用[15]、[16]。其次，即使在惰性气氛下，MXene薄膜在热处理过程中也容易发生部分氧化，尤其是在缺陷丰富的表面区域。这种氧化源于与表面官能团和插层物质相关的内在氧，会降低电导率并损害长期电化学性能[17]、[18]。在提高电导率和氧化导致的离子传输受限之间的权衡，是最大化热处理对MXene基电极优势的根本挑战。

在这项工作中，我们提出了一种协同策略，通过结合快速焦耳加热和碳点（CDs）的引入来克服上述限制。与大多数仅将CDs视为简单插层剂或电子供体以改善电荷传输的研究不同[19]、[20]，我们利用其在快速加热条件下的气体释放行为作为关键的结构调节工具。当碳点通过静电方式固定在Ti?C?T?纳米片上时，在二次尺度的焦耳加热过程中，它们可以发挥双重作用：（1）快速加热促使碳点和Ti?C?T?同时释放气体，导致局部气体积聚和孔隙扩张；（2）碳点优先锚定在Ti?C?T?纳米片的缺陷丰富和高能位点，这些区域也是最容易发生热氧化的区域。在焦耳加热过程中，碳点的原位碳化形成富碳界面层，有效钝化这些缺陷位点，抑制氧气扩散，从而显著减缓Ti?C?T?的退化。通过这种综合方法，我们得到了具有整体致密性和局部宏观孔隙形成的独特Ti?C?T?薄膜结构，同时提升了电子导电性和离子传输能力。结果表明，经过焦耳加热处理的CDs/Ti?C?T?复合薄膜表现出显著提升的电容性能和优异的倍率特性，显示出其在先进储能应用中的巨大潜力。

结果与讨论

我们首先系统研究了碳点（CDs）与Ti?C?T?纳米片之间的复合配置及其组装的驱动力。原子力显微镜（AFM）表征显示Ti?C?T?纳米片的平均厚度约为2.2纳米（图S1a–b），而透射电子显微镜（TEM）图像显示其横向尺寸约为几百纳米（图S1c）。TEM分析进一步证实了碳点的粒径范围为

结论

总之，这项工作解决了热处理Ti?C?T?薄膜中的一个长期存在的问题：通常情况下，提高电子导电性会以限制离子传输和不可避免的氧化为代价。通过将碳点与快速焦耳加热相结合，我们提出了一种协同策略，通过同时进行结构调节和氧化抑制来克服这些相互矛盾的限制。由于强烈的静电相互作用，超微小的碳点被牢固地固定在Ti?C?T?表面

CRediT作者贡献声明

陈伟民：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，指导。张中琼：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，研究。杨强：撰写 – 审稿与编辑，研究。徐子怡：撰写 – 审稿与编辑，研究。黄鹏：撰写 – 审稿与编辑。杨佩：撰写 – 审稿与编辑，指导。周晓燕：撰写 – 审稿与编辑，指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家留学基金委访问学者项目的支持（编号：202108320178）。