MXene復合材料：能量轉換和存儲的黑科技

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MXenes因其獨特的層狀結構、顯著的導電性和優異的機械性能而受到學者的廣泛關注。除了原始形式之外，它們還可以與其他成分結合以獲得雜化物和納米復合材料，并具有增強的功能。它已廣泛應用于鋰電池、超級電容器、電磁屏蔽、腫瘤治療、生物傳感器、光催化等領域，在能量轉換和存儲方面顯示出巨大的應用潛力。

本文的目的是概述 MXene 的合成和表征方面的最新進展，以及它們在水分解和太陽能電池等能源轉換以及鋰離子電池、超級電容器和太陽能電池等能源存儲中的潛在應用。氫能將得到全面闡述?？偨Y了發展機遇和挑戰。

精彩呈現

概述了 MXene 合成和表征的最新進展。對不同結構形式和組成特征的MXenes材料進行了分類、總結和分析。

全面闡述了MXenes在水分解、太陽能電池等能量轉換領域的應用現狀和發展趨勢。

深入總結了MXenes在鋰離子電池、超級電容器、氫能等儲能領域的應用進展和發展潛力。

圖文參考

圖1. 具有不同成分的 MAX 相樣品的 TEM 圖像：(A) HF 蝕刻 22 小時后形成的 Ti3C2 層，(B) 從 Ti3AlCN 剝離的 Ti3CNx，(C) 從 TiNbAlC 剝離的 TiNbC 和 (D) 從 Ta4AlC3 剝離的 Ta4C3。

圖2. 所選粉末樣品的 SEM 圖像：(a) (Nb0.8Ti0.2)4C3Tx 和 (b) (Nb0.8Zr0.2)4C3Tx。納米片的 TEM 圖像：(c) (Nb0.8Ti0.2)4C3Tx 和 (d) (Nb0.8Zr0.2)4C3Tx。(c) 和 (d) 中的插圖是 MXenes 納米片的 SAED 圖案。

圖3. (a) 剝離后 Ti3C2Tx MXene 的 TEM 圖像，插圖顯示 Ti3C2Tx MXene 的 SAED 圖案。(b) 剝離后 Ti3C2Tx MXene 的 AFM 圖像，插圖顯示 Ti3C2Tx MXene 納米片的高度剖面。

圖4. 不同樣品的橫截面SEM圖像：（a）PVA + 0.5％（質量）CNT，（b）PVA + 5％（質量）CNT，（c）PVA/V2C + 0.5％（質量）CNT和 (d) PVA/V2C + 5%（質量）CNT。

圖5. Ti3C2 MXene 納米片 (a) 和代表性 PPy/Ti3C2 納米復合材料 (b) 的 SEM 圖像。

圖6. Ti3C2TX/CNT 復合薄膜的 SEM 圖像：(a) 薄膜的橫截面圖像，(b) C 和 Ti 的 EDS 圖，(c) 薄膜的表面圖像。(a) 中的插圖是獨立式 Ti3C2TX/CNTs 復合薄膜的照片。

圖7. 多層互連 3D Ti3C2Tx@CNTs 復合材料的合成路線示意圖。

圖8. Co/N-CNTs@Ti3C2Tx 復合材料的合成過程示意圖。

總結

使用HF或HCl/LiF作為蝕刻劑可以生產具有不同形貌和表面化學性質的多層二維（2D）MXene納米片。目前，單層或更少層MXene的合成并大規模生產仍然是一個挑戰。在具有各種組成的MXene中，源自Ti3AlC2母體化合物的家族，即Ti3C2TX，得到了最廣泛和深入的研究。實驗和理論結果獨立證明，MXenes 具有優異的化學、物理、熱、電和機械性能。對此，建議實驗學家和理論學家在未來對MXene材料的研究中共同努力。

與此同時，MXenes 已被探索作為與其他材料（例如無機化合物和聚合物）結合的成分，以生產雜化物/復合材料，以實現增強或新出現的特性和性能。由于其獨特的性能，MXenes 在各個領域都有廣泛的應用。對于能量轉換和存儲，MXenes可用作催化劑或電極，具有優越的性能。他們堅信，越來越多的應用需要探索，并且已經出現了一些有用的方向?？偠灾?，MXenes屬于二維納米材料，可以通過多種方法進行長期研究。