综述：Ti3C2Tx MXene赋能碳纤维：迈向结构功能一体化复合材料的新范式

《Advanced Science》：Empowering Carbon Fibers With Ti3C2Tx MXene: A Paradigm Shift Toward Integrated Structure-Function Composites

本综述系统阐述了Ti3C2Tx MXene改性碳纤维（CF）这一前沿领域，揭示了其从单一结构材料向结构-功能一体化复合材料转变的范式革新。文章详细梳理了涂层、自组装、电泳沉积（EPD）、化学接枝及共混纺丝等关键制备技术，并深入探讨了该复合材料在界面增强、电磁干扰（EMI）屏蔽、能源存储（如超级电容器、电池）、智能传感、热管理及生物医学等领域的卓越应用潜力。通过精准的界面纳米工程，Ti3C2Tx MXene有效克服了CF表面惰性，协同提升了复合材料的力学、电学、热学及催化等多维性能。尽管在规模化制备、材料稳定性及多功能协同优化方面仍面临挑战，但该综述为下一代高性能复合材料的设计与应用提供了清晰的路线图。

　　

引言

自20世纪60年代问世以来，碳纤维（CF）因其优异的比强度、比模量、耐腐蚀性及导电导热性，在航空航天、交通运输、军事工业等高端领域占据了不可或缺的地位。然而，CF表面碳原子的惰性导致其与聚合物基体的界面相互作用弱，极大地限制了其多功能性能优势的发挥。改性成为突破这一瓶颈的有效手段。近年来，二维纳米材料，如石墨烯、碳纳米管（CNT）和MXene，为CF改性注入了新的活力。其中，Ti₃C₂T_xMXene（M_n+1X_nT_x，M为过渡金属，X为C或N，T为表面终止基团如-OH、-O、-F）因其高导电性、优异的机械性能（杨氏模量超330 GPa）、高比电容（体积电容高达676 F·cm^?3）以及良好的亲水性和溶液可加工性，在CF改性领域展现出显著优势和应用前景。

制备技术

涂层技术

涂层是传统的CF改性方法，包括浸涂、旋涂、滴铸和喷涂等。Ti₃C₂T_xMXene良好的亲水性和胶体稳定性使其能形成稳定的分散液，可作为有效的CF上浆剂。例如，简单的浸涂法可将Ti₃C₂T_xMXene负载到CF上，用于制备具有电磁波吸收（最小反射损耗RL_min达-57.07 dB）和电热转换功能的复合材料。喷涂法则更适用于大规模制备，如喷涂层数可控的复合纸在X波段电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）可达78.23 dB。为提高Ti₃C₂T MXene与CF的附着力，常引入聚多巴胺（PDA）、聚乙烯醇（PVA）等粘合剂或桥联剂，通过氢键等作用增强界面相互作用。熔盐法是一种创新方法，通过将MAX相前驱体涂覆于CF并蚀刻，可实现Ti₃C₂T_xMXene的原位生长，有效避免纳米片重新堆叠，在能源存储应用中展现独特优势。

自组装技术

自组装技术基于静电相互作用，可将带相反电荷的物质（如阳离子聚电解质）逐层组装到CF表面，实现Ti₃C₂T_xMXene的均匀、可控沉积。常用的阳离子供体包括聚乙烯亚胺（PEI）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和聚苯胺（PANI）等。例如，通过PEI驱动的自组装过程制备的CF/聚醚醚酮（PEEK）复合材料，其层间剪切强度（ILSS）和EMI SE分别提升了60.27%和33.56%。静电相互作用提供的结合力远强于氢键或范德华力，使得自组装法制备的复合材料界面结合强度显著提高。此外，壳聚糖、导电碳黑、CNT、RuO₂、氧化石墨烯（GO）、SiO₂等协效改性剂的引入，可构建多维异质结构，进一步拓展性能潜力。

电泳沉积（EPD）

EPD利用电场驱动带电的Ti₃C₂T_xMXene纳米片向带相反电荷的CF电极迁移并沉积，具有高效、快速、均匀、无需粘合剂且易于连续生产等优点。阳极沉积是常用策略，例如在30 V电压下沉积30秒制备的CF电极，对大肠杆菌的灭活效率高达99.99%。阴极沉积则可通过与金属离子（如Mg²⁺）共沉积实现电荷反转，使Ti₃C₂T_xMXene趋向阴极。通过超声辅助、优化电场分布等手段可进一步改善沉积均匀性。EPD法制备的复合材料在界面性能和导电性方面均有显著提升。

化学接枝

化学接枝通过在CF和Ti₃C₂T_xMXene表面引入反应性官能团（如-NH₂、-COOH），形成牢固的共价键连接，界面结合强度远超物理相互作用。常用策略包括使用硅烷偶联剂（如APTES）对Ti₃C₂T_xMXene进行氨基功能化，再与CF表面的羧基形成酰胺键。电化学芳基重氮接枝是另一种高效方法，通过重氮盐还原产生的自由基共价锚定在基底上。硫醇-烯点击化学等新型接枝策略也被成功应用。共价接枝显著提升了复合材料的界面剪切强度（IFSS）和ILSS，并赋予其优异的耐久性。

共混纺丝与碳化

该技术将Ti₃C₂T_xMXene与CF前驱体（如聚丙烯腈PAN）在分子水平共混，通过湿法纺丝或静电纺丝成型，再经预氧化和碳化处理，得到Ti₃C₂T_xMXene内嵌的CF。这种方法实现了Ti₃C₂T_xMXene在纤维内部的均匀负载，避免了表面修饰可能导致的脱落问题，可制备出具有高比表面积、优异导电性和可控孔隙结构的纤维，在柔性电极、电磁波吸收纤维等领域应用前景广阔。挑战在于高温碳化可能损伤MXene结构，且纺丝过程复杂，产量较低。

多功能应用

界面增强

Ti₃C₂T_xMXene的二维片层结构增加了CF表面粗糙度，促进与基体的机械互锁；其丰富的表面官能团改善了润湿性，并可形成氢键等相互作用。研究表明，Ti₃C₂T_xMXene改性CF增强的聚合物复合材料（CFRP）的IFSS、ILSS、弯曲强度和模量均得到显著提升。通过构建多层次杂化界面（如PDA/MXene、PANI/MXene），可协同发挥机械互锁、共价键、氢键、离子键等多种界面增强机制，实现复合材料力学性能的突破。

电磁干扰屏蔽

Ti₃C₂T_xMXene与CF协同构建的高导电网络，通过反射和吸收机制（包括导电损耗、极化损耗、界面极化等）高效衰减电磁波。改性后的CFRP表现出卓越的EMI屏蔽效能（SE），例如，自组装制备的CF/PEKK复合材料EMI SE可达44.6 dB。Ti₃C₂T_xMXene的引入还显著提升了复合材料的电磁波吸收性能，有效吸收带宽（EAB）可达7.74 GHz甚至更宽。

高效能源存储

Ti₃C₂T_xMXene改性CF作为电极材料，结合了CF的导电骨架和MXene的高比表面积、丰富活性位点及赝电容特性，在超级电容器和金属离子电池中展现优异性能。例如，制备的柔性超级电容器具有高面积电容（0.862 F/cm²）和能量密度（13.3 Wh·kg^?1）；用作锌离子电池阴极时，表现出高电荷存储容量（517.0 mAh g^?1）和循环稳定性。MXene层还能抑制锌枝晶生长和阳极腐蚀，提升电池寿命。

智能传感

Ti₃C₂T_xMXene改性CF的多级层状结构在压力下产生弹性变形，引起电阻变化，从而实现高灵敏度压力传感，响应和恢复时间可达毫秒级。其高导电性和活性位点也使其成为电化学传感器的理想平台，用于检测维生素B₆、葡萄糖、尿酸等分子，检测限低至飞摩尔级别。基于摩擦起电效应的自供电传感器也得以实现，为软体机器人提供了精确的物体识别能力。

热管理

Ti₃C₂T_xMXene的高导热性和优异的光热/电热转换效率，使其改性CF复合材料在热管理中发挥重要作用。通过冷冻干燥等技术构建定向导热通路，复合材料热导率可达9.68 W/mK。电热转换方面，在施加电压下复合材料温度可迅速升至200°C以上，适用于可穿戴热管理和大设备除冰。光热转换性能使其在柔性器件热绝缘方面具有潜力。

催化

在电催化水分解（析氢反应HER、析氧反应OER）中，Ti₃C₂T_xMXene改性CF电极表现出低过电位和高稳定性。例如，MoS₂/Ti₃C₂T_xMXene改性CF在HER中过电位为142 mV。此外，在V³⁺/V²⁺氧化还原反应、CO₂电羧化等反应中也展现出高催化活性和选择性，为绿色合成和温室气体利用提供了新平台。

生物医学应用

在神经电极方面，Ti₃C₂T_xMXene改性CF可降低界面阻抗，提高信噪比和刺激效率，其柔韧性确保与神经组织的良好相容性。在生物传感方面，可用于高灵敏度、高选择性检测病原体DNA（如金黄色葡萄球菌DNA），检测限低至14.5 fM，在疾病诊断和精准医疗中潜力巨大。

挑战与未来展望

尽管前景广阔，Ti₃C₂T_xMXene改性CFs的实际应用仍面临挑战：Ti₃C₂T_xMXene易氧化降解；规模化、绿色化制备工艺尚不成熟；多功能性（如高导电性与高韧性）之间的平衡难以兼顾；对其强化机理和长期服役性能演变的理解仍需深化。

未来研究应聚焦于：开发绿色高效的MXene合成与改性技术；优化界面设计，实现性能协同提升；深化机理研究，借助高通量实验和人工智能指导材料设计；拓展在结构-功能一体化器件（如结构储能、智能传感）等前沿领域的应用。通过跨学科合作和产学研深度融合，推动这一高性能材料体系从实验室走向实际应用。

结论

Ti₃C₂T_xMXene改性碳纤维代表了先进材料领域向结构-功能一体化发展的重大范式转变。通过先进的制备技术实现了材料性能的多维提升，在众多前沿领域展现出巨大潜力。克服现有挑战将为下一代高性能复合材料的创新和应用开辟新的道路。