综述：MXenes作为多功能电化学平台：用于能量存储、转换和电化学传感器的统一原理

乌玛·尚卡尔·维拉萨米（Uma Shankar Veerasamy）|查查万·恰伊查纳（Chatchawan Chaichana）|纳空·蒂帕亚旺（Nakorn Tippayawong）|康莱尤特·普纳亚武多（Konlayutt Punyawudho）|M·阿马尔拉杰（M. Amalraj）|西米永·丹尼斯登（Simiyon Denisdon）|尤塔娜·莫纳（Yuttana Mona）

泰国清迈大学工程学院机械工程系，清迈50200

摘要

MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物和氮化物，因其潜力在电化学应用（如储能（超级电容器和电池）、转化（HER和OER）以及电化学传感方面具有革命性影响而受到研究人员的关注。本文探讨了MXene的多方面应用，重点关注其在电化学中的应用。文章还探讨了除HF蚀刻之外的其他MXene设计和合成技术，包括原位HF蚀刻、熔盐法、电化学蚀刻等多种方法，并强调了这些方法对MXene结构的影响。在储能应用方面，本文研究了基于MXene的电极的最新发展，以提高对称型、非对称型金属离子电容器和微超级电容器的性能。此外，还探讨了MXene在锂离子、锂硫、钠离子和锌离子储能技术中的应用。此外，还讨论了MXene在电化学水分解中的应用，展示了其在氢气和氧气生成反应中的能力。最后，电化学传感是最常用的技术，用于识别水中的各种生物分子和金属。

引言

近几十年来，二维材料如g-C₃N₄、MoS₂、石墨烯、硼烯、硅烯和氮化硼在各种电化学应用（超级电容器、电池、氢气和氧气生成及传感）中受到了广泛关注，因为它们具有较高的导电性和较大的表面积。一种新型的二维材料MXene由于其高理论表面积、独特的原子结构、导电性、亲水性和可调的功能基团化学性质而成为非常有前景的电极材料[1,2]。MXene的化学结构为M_n+1X_nT_x，其中M代表过渡金属，X代表碳或氮，-F、-OH和-O是末端功能基团[3], [4], [5]。从周期表可以看出，可以使用多种元素来制备MXene（图1a）。迄今为止已经发现了许多种MXene，如图1b所示。第一种MXene Ti₃C₂T_x是由德雷塞尔大学（Drexel University）的M. W. Barsoum教授和Yuri Gogotsi教授团队在2011年发现的[6]。他们使用氢氟酸（HF）从原始MAX相前驱体Ti₃AlC₂中蚀刻出Ti₃C₂T_x [7]。随后又发现了许多其他类型的MXene，例如Nb₂CT_x、(Nb_0.8, Zr_0.2)₄C₃T_x、Ti₂CT_x、Zr₃C₂T_x、Mo₂CT_x、Nb₄C₃T_x、V₂CT_x、Ti₃CNT_x、(Nb_0.8, Ti_0.2)₄C₃T_x、Ti₄N₃T_x、Mo₄VC₄T_x、Mo₂ScC₂T_x和(Ti_0.5, Nb_0.5)₂CT_x。到目前为止，结合其他元素已经合成了近100种MXene，如图1b所示[8,9]。通过多种剥离技术可以从MAX相制备MXene[10]。为了解决MXene聚集和稳定性低的问题，研究人员开发了异质结构复合材料，这些复合材料在提高储能能力方面显示出潜力[11,12]。

MXene纳米片的聚集和重新堆叠是一个重要挑战，这种现象会减少电解质离子相互作用所需的活性表面位点的数量[4,13]。这种限制阻碍了电解质的传输，从而降低了电极的性能[14]。另一个显著挑战是由于MXene层堆叠导致促进电化学活性的位点减少，这进一步减少了电化学反应所需的位点[15]。为了解决这些问题，研究人员正在积极探索潜在的解决方案。一种方法是在MXene纳米片上实施部分氧化和蚀刻工艺[16]。这种策略旨在在材料内部生成多孔结构，有效抑制自堆叠的趋势，从而创建一个相互连接的通道网络，以促进电解质的传输，缓解聚集和重新堆叠带来的问题。为了提高电化学性能，研究人员正在努力探索优化基于MXene的电极的替代方法[17]。这些方法包括使用各种材料进行复合掺杂和MXene的结构优化。这些努力的总体目标是提高基于MXene的电极材料的整体性能和商业可行性，特别是在储能应用领域[18], [19], [20]]。

基于MXene的复合材料的潜在用途已在多个领域得到深入研究。MXene还作为催化剂，增强了生物质硅藻基相变材料（PCMs）对光和热能的吸收和转化效率。这种催化作用有助于开发用于太阳能热能储存的形状稳定相变材料（SSPCMs）[21]。MXene与金属有机框架（MOFs）的有效结合提高了它们的稳定性和导电性，拓宽了其在传感器、电池、超级电容器、微波吸附、电催化剂和光催化剂等领域的应用范围[22]。基于MXene的复合材料在光催化系统中作为共催化剂，提高了氢气生产、CO₂还原、氮固定和污染物去除的能力[23]。在超级电容器领域，含有超薄碳纳米管（CNT）中间层的基于MXene的复合材料被设计用来防止MXene纳米片的自堆叠，从而提高了电化学性能和循环稳定性[24]。由于MXene能够提高锂离子电池（LIBs）的安全性，因此对其进行了大量研究[25]。

这篇综合综述探讨了二维MXene电极在超级电容器和其他能源应用中的新趋势，如图形摘要所示。本文的后续部分详细介绍了MXene的合成和表征方法，旨在为电化学领域的研究人员和爱好者提供有价值的见解和知识，包括储能、转化和传感应用。

章节摘录

MXene的性质

由于MXene的结构和化学组成，它具有独特的性质，如电化学性质、结构特性、电机械性能和化学稳定性等。此外，MXene由于M-X键的形成，表现出混合金属/共价/离子键的特性。

基于MXene的材料由于其不同的化学组成、层状结构和较大的表面积，表现出更广泛的性质。

MXene的合成和蚀刻工艺

MXene通常通过MAX相（三元层状碳化物或氮化物M_n+1AX_n）制备，这些材料具有独特的结构和金属及陶瓷特性[37]。近年来，已经开发了多种制备MAX相的方法[38]。图1展示了MXene的发展历程及其电化学应用[5,39,48,49,[40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47]]。无压烧结（PS）是一种粉末冶金方法。

MXene在电化学应用中的表现

自MXene被发现以来，它在各种应用中引起了广泛关注，尤其是在超级电容器、电池、电化学传感器和燃料电池等领域。由于其优异的机械、电子和光学性能，MXene在电化学应用中得到了广泛应用。

MXene的氧化不稳定性

MXene的优异性能包括出色的导电性、可调的表面化学性质和高机械柔韧性。然而，由于温度、水环境和大气的影响，MXene容易发生快速氧化降解。例如，Ti₃C₂T_x MXene在氧化后会形成Ti₃C₂T_x/TiO₂，最终形成碳支撑的TiO₂纳米颗粒。

结论

MXene的独特性质使其成为二维纳米材料家族中的重要成员，大量研究致力于探索其在电化学应用中的潜力。然而，仍存在一些限制和挑战，需要进一步的研究和战略干预以实现更广泛的应用。尽管MXene在电化学性能方面表现出色，但仍存在合成、可扩展性和成本效益等方面的问题。

CRediT作者贡献声明

尤塔娜·莫纳（Yuttana Mona）：撰写初稿、审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。乌玛·尚卡尔·维拉萨米（Uma Shankar Veerasamy）：撰写初稿、审稿与编辑、概念构思、数据管理。查查万·恰伊查纳（Chatchawan Chaichana）：审稿与编辑、可视化、验证。纳空·蒂帕亚旺（Nakorn Tippayawong）：审稿与编辑、可视化、验证。康莱尤特·普纳亚武多（Konlayutt Punyawudho）：审稿与编辑、可视化、验证。M. 阿马尔拉杰（M. Amalraj）：撰写——

CRediT作者贡献声明

乌玛·尚卡尔·维拉萨米（Uma Shankar Veerasamy）：撰写初稿、软件开发、方法论设计、数据管理、概念构思。查查万·恰伊查纳（Chatchawan Chaichana）：审稿与编辑、可视化、软件开发、数据分析、形式分析、数据管理。纳空·蒂帕亚旺（Nakorn Tippayawong）：审稿与编辑、可视化、验证、数据分析、形式分析。康莱尤特·普纳亚武多（Konlayutt Punyawudho）：审稿与编辑、可视化、验证、资源协调。M. 阿马尔拉杰（M. Amalraj）：审稿与编辑、可视化——

乌玛·尚卡尔·维拉萨米（Dr. Uma Shankar Veerasamy）博士目前是泰国清迈大学的博士后研究员。他在印度阿纳马莱大学（Annamalai University, Chidambaram）获得物理学博士学位。完成博士学位后，他在印度蒂鲁瓦纳马莱（Tiruvannamalai）的Karan Arts and Science学院担任了一年教师，并在印度金奈的SSN工程学院进行了为期一年的博士后研究。他还曾在高雄医学大学（The Kaohsiung Medical University）进行了六个月的研究。