北京大学化学与分子工程学院刘忠范

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Chem. Soc. Rev. ：2D MXenes在能量转换和存储系统中的应用

过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）是一类二维（2D）无机化合物，是由几个原子层的过渡金属碳化物，氮化物或碳氮化物组成的材料。Ti3C2是第一个2D层状MXene，于2011年被分离出来，这种材料是一种类似于石墨烯的层状材料，是从3D的体材料MAX相（Ti3AlC2）里面衍生出来的。从那时起，材料科学家根据各种过渡金属（如Ti，Mo，V，Cr及其与C和N的合金）的组合，确定或预测了> 200种不同MXenes的稳定相。因为这一发现，MXenes在可充电电池、超级电容器、光催化剂、电催化剂、透明导电膜、电磁干扰屏蔽和传感器、原油和重金属的吸附剂、柔性高强度复合材料等领域具有广阔的应用前景。其中，电化学储能和能量转换是解决能源短缺问题的清洁可再生能源战略的重要内容。因此，有必要更新MXenes电化学和能源应用的最新进展和里程碑。

近日，在北京大学刘忠范院士、德国莱布尼茨固体材料研究所Mark H. Rummeli教授、济南大学刘宏教授团队带领下，与山东大学、苏州大学和波兰科学院合作，全面总结了MXenes研究的最新进展。首先回顾MXenes的结构类型、形貌及其合成路线。然后，综述了MXenes的力学、电子、光学和电化学性质。然后焦点转向它们在能量储存和转换方面令人兴奋的潜力。储能应用包括可充电锂离子电池、锂硫电池和超级电容器中的电极。在能量转换方面，介绍了光催化燃料的生产，如裂解水产氢和二氧化碳还原。此外，还讨论了MXenes在光催化降解水中有机污染物（如染料废水）方面的潜力，以及它们作为合成氨（以氮气为原材料）催化剂的前景。最后总结了它们的应用潜力，为正在升起的新星MXenes材料提供了一个展望未来的机会和可能性。相关成果以题为“Applications of 2D MXenes in energy conversion and storage systems”发表在了Chem. Soc. Rev. 上。

本综述的目的是介绍与能量存储和转换有关的MXenes性能的基础知识。最初，它们的基本原理，如它们的结构、形貌和性质，以及他们丰富的表征手段。应用部分介绍了MXenes的最新进展，并更新了可充电电池和超级电容器的实验进展。MXenes的多功能性能在锂离子电池和钠离子电池中作为负极材料，在锂金属电池中作为钝化材料，以及作为锂硫电池中的硫固定剂，具有优异的性能。此外，超级电容器已被证明可通过MXenes电极的多孔形貌得到增强。除了用于离子吸附的双对称电极之外，还制造了其他类型的超级电容器。这些包括掺入用作赝电容器的过渡金属氧化物复合材料以及电化学电容器。还对有机污染物的光降解以及HER和OER的电催化剂进行了实验更新。MXenes的许多方面仍然未知，这包括家族成员的数量、最终理论的储锂容量以及其他能源相关应用。未来，理论预测将继续通过不同的元素组合扩展MXenes家族。

文献链接：Applications of 2D MXenes in energy conversion and storage systems（Chem. Soc. Rev. , 2018, DOI:10.1039/C8CS00324F）