《Journal of Energy Storage》：Advances in the preparation and application of metal–organic framework (MOF) and 2D MXene composites for energy storage devices
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该综述系统总结了二维MXene与MOF复合材料的创新设计及其在超级电容器中的应用潜力，重点分析了协同效应带来的电子传输、离子扩散和法拉第反应的优化机制，探讨了原位生长、溶剂热合成及后修饰等合成策略对结构调控的影响，并展望了产业化面临的挑战与未来研究方向。
Parya Aghamohammadi|Osman Cem Alt?nc?|Eda Taga Akgül|Muslum Demir
奥斯曼尼亚科库特阿塔大学物理系，80000，奥斯曼尼亚，土耳其
摘要
随着全球对可持续和高性能储能需求的增加，人们对能够结合高能量和功率以及长循环稳定性的混合电极材料的兴趣也随之增强。本文重点介绍了二维MXene/MOF复合材料的独特创新，强调了MXene的金属导电性与MOF的层次孔结构和氧化还原活性位点之间的协同作用，这些因素共同提升了电子传输、离子扩散和法拉第效率。文章总结了关键的合成策略，包括原位生长、溶剂热/水热法以及合成后的改性方法，并探讨了结构工程手段，如MOF柱状化、Ti–O–M界面键合和异原子/连接剂的调控，这些方法有效抑制了MXene的堆叠现象并降低了电荷传输阻力。代表性研究展示了在电容、能量密度和循环寿命方面的显著提升，凸显了这些复合材料从柔性电子器件到电动汽车的广泛应用潜力。同时，文章也指出了当前存在的挑战和未来的研究方向，以推动MXene/MOF复合材料向实际商业化迈进。
引言
材料科学的持续进步推动了人们对具有优异性能和广泛应用的新材料的探索。在这种背景下，结合多种成分特性的混合材料成为了一个特别引人注目的研究领域。其中，基于MXene和金属有机框架（MOFs）组合的混合体系最近受到了广泛关注。这些材料融合了MXene和MOFs的优势特性，为传感器、生物传感器、药物和基因输送、组织工程、超级电容器、能量存储与转换以及工业技术等领域的创新应用奠定了基础[1]。MXene属于二维（2D）过渡金属碳化物和氮化物家族，以其卓越的机械强度、高电导率和优异的亲水性而闻名。自2011年德雷塞尔大学首次发现MXene（Ti?C?T?）以来，已有大量研究发现了30多种不同的MXene组成，并预测还有更多种类存在。值得注意的是，将两种不同的过渡金属引入其结构中可以形成固溶体或高度有序的原子排列。2014年首次报道了这种有序MXene的合成，标志着MXene相关研究迅速发展的一个重要里程碑[2]、[3]。新型MXene前驱体的开发工作主要集中在MAX相研究社区，目前已合成约30种新的有序双过渡金属MAX相，研究表明这些材料具有出色的磁性和电子性能。此外，计算预测表明可以通过成分调控合成出更多新的MXene组成，并精细调节其材料性质。尽管MXene具有显著优势，但也存在一些缺点，如结构堆叠导致活性表面积减少，从而限制了整体性能[4]、[5]、[6]。另一方面，金属有机框架（MOFs）通过有机配体连接金属簇而形成[7]、[8]、[9]，其高表面积、可调孔径和化学多样性使其在气体存储、分离、催化和传感等领域具有广泛应用前景。然而，它们固有的低电导率和有限的稳定性对电子和储能系统的广泛应用构成了挑战[10]、[11]。将MXene和MOFs集成到混合结构中提供了一种克服各自局限性的有效策略。通过结合MXene的优秀电导率和机械强度与MOFs的孔结构和可调功能，MXene/MOF复合材料在能量存储、催化、环境修复和传感等多种应用中表现出提升的性能。尽管这些复合材料具有巨大潜力，但许多性质和界面相互作用仍需进一步研究[12]、[13]。MXene/MOF复合材料的创新性和广泛应用性使其成为科学界日益关注的研究方向。然而，鉴于MXene/MOF系统的研究仍处于早期阶段，许多基本问题尚未得到解答。例如，MXene和MOFs的个别性质对复合材料整体性能的影响、实现所需功能的最有效合成策略以及这些复合材料在现实应用中的长期稳定性等问题仍需深入探讨。随着这些问题的逐步解决，MXene/MOF复合材料在各个技术领域的潜在影响将更加明显[14]。本文全面总结了MXene和MOFs在超级电容器领域的最新进展，特别关注了涉及MXene/MOF混合结构及其在储能应用中的电化学性能的研究，并强调了这些材料在能源、环境科学和电子领域的变革潜力。通过促进对MXene/MOF复合材料的深入理解，本文旨在激发更多的科学发现和创新，最终推动可持续和高性能材料技术的发展[1]。
MOFs及其在超级电容器中的性能
金属有机框架（MOFs）是一类新兴的晶体多孔材料，通过金属离子或簇与多功能有机配体的配位构建而成。由于其极高的表面积、可调的孔结构和化学多样性，MOFs引起了广泛的研究兴趣[15]、[16]。这些特性使它们在众多应用中具有显著潜力，尤其是在
MXenes
MXenes最初由德雷塞尔大学的科学家通过选择性蚀刻MAX相中的“A”层获得[27]。该名称既指这种合成方法，也指MXenes与石墨烯的结构相似性。最初，用于电池电极的MAX相由于密度过高，锂离子难以有效插入层间空间。为了解决这个问题，研究人员合成了具有开放层间空间的MXenes
基于MXene的超级电容器的能量存储机制
电极材料的比表面积直接影响双电层电容器（EDLCs）的电容性能[35]。具有大比表面积的材料，如石墨烯和介孔碳，通常用于EDLCs，可以促进离子和溶剂分子的快速扩散和吸附，从而提供比电池更高的功率密度。然而，由于电容与比表面积之间存在反比关系，这些材料
MXene–MOF复合材料
将MXenes与金属有机框架（MOFs）结合是一种设计先进混合材料的开创性策略，这类材料在电化学、催化和吸附性能方面表现出色。MXenes是一类快速发展的二维（2D）材料，由过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成，以其优异的电导率、亲水性和机械强度而著称
MXene/MOF复合材料的合成策略
MXene/MOF混合结构的制备已成为材料科学研究的焦点，尤其是因为它们能够结合MXenes的高电导率和MOFs的可调孔结构及多功能性。为实现这种功能整合，研究人员探索了多种合成策略，通常分为原位和体外方法
MXene/MOF复合材料合成方法的选择原则
MXene/MOF复合材料的电化学性能不仅取决于其内在的结构和电子特性，还取决于根据目标应用选择的合成方法。不同的合成方法在形态、孔结构、界面键合、机械强度和电导率等方面具有不同的优势；因此，合成方法与器件特定性能要求之间需要合理匹配
MXene/MOF复合材料性能提升的机制
在MXene/MOF混合系统中，性能提升主要源于两个相互关联的机制：加速的界面电荷传输和优化的离子扩散路径。因此，选择合适的合成方法时必须考虑其在微观和界面层面调节和增强这些机制的能力
MXene/MOF复合材料的原位和体外合成方法
MXene/MOF复合材料的制备可以分为原位和体外合成路线，每种方法根据所需的结构和功能结果具有不同的优势。当前研究中广泛采用的原位方法能够将MXenes分散到含有金属离子和有机配体的前驱体溶液中，从而直接在MXene表面生长MOF网络。这种方法不仅促进了强烈的界面相互作用，还简化了
MXene/MOF复合材料及其超级电容器性能
MXene/MOF复合材料的超级电容器性能提升不仅仅源于电化学指标的改善，更源于由界面工程和层次结构设计所决定的明确的结构-性能关系。将MOFs引入MXene框架中可以有效抑制MXene的堆叠现象，并引入氧化还原活性位点，从而实现双电层电容和赝电容存储的协同效应
MXene/MOF复合材料中的电解质驱动离子传输和电荷存储
水基电解质（如KOH和H?SO?）具有高离子导电性和快速离子迁移性，使得Ni-MOF/MXene复合材料实现了867.3 F g?1的高比电容以及优异的循环稳定性，这得益于高效的离子传输和良好的电极-电解质相互作用[81]。相比之下，有机电解质提供了更宽的电化学稳定性窗口，允许更高的能量密度
MXene/MOF复合材料中的微观电荷存储和传输机制
理解MXene/MOF混合系统中控制电荷存储和传输的微观机制对于解释其相对于单一组分的优越电化学性能至关重要[137]、[138]。在这些复合材料中，MXene的金属导电性与MOFs的氧化还原活性相互作用共同构成了双电层电容（EDLC）和赝电容行为的双重机制，这两种机制都受到界面电子效应的调控
基于MOF和MXene/MOF材料的工业前景和大规模生产挑战
金属有机框架（MOFs）获得诺贝尔奖后，全球对其实际相关性和工业潜力给予了更多关注。尽管MOFs及其衍生复合材料（包括MXene/MOF混合结构）在实验室规模上展现了出色的电化学性能，但从学术研究向工业应用的转化仍面临重大挑战
MXene/MOF混合超级电容器电极的市场壁垒和商业化前景
尽管MXene/MOF复合材料在实验室层面取得了显著进展，但其商业化仍受到技术、经济和监管障碍的制约，这些因素需要战略性地加以解决。从制造角度来看，主要障碍在于难以实现可扩展、连续和可重复的合成
结论
将MXenes和金属有机框架（MOFs）集成到混合结构中，催生了一代高性能超级电容器电极。正如本文所强调的，MXene/MOF复合材料成功结合了两种材料的互补优势：MXenes的优异电导率、机械强度和丰富的表面化学性质；以及MOFs的高表面积、可调孔结构和多功能性
CRediT作者贡献声明
Parya Aghamohammadi： 监督。
Osman Cem Alt?nc?： 撰写 – 审稿与编辑。
Eda Taga Akgül： 撰写 – 审稿与编辑。
Muslum Demir： 撰写 – 审稿与编辑。
资助
本工作得到了博阿齐奇大学科学研究项目（项目编号：20330）和土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）（项目编号：125M785）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
