综述：近期基于MXene纳米复合材料的进展综述：作为钾离子电池优异负极材料的潜力

《Journal of Energy Storage》：A review of recent advances in the development of MXene-based nanocomposites as superior anodes for potassium-ion batteries

MXenes作为新型二维纳米材料，因其高导电性、比表面积和机械强度，被广泛用于钾离子电池（PIBs）负极，通过改善体积膨胀和提升储钾机制增强性能，综述了MXene/碳、MXene/氧化物、硫化物、硒化物及碲化物等复合材料的合成方法、结构特性与电化学性能，并对比了纯MXenes与复合材料的差异，提出未来研究方向。

　　

Hamed Aghamohammadi|Hesam Iranipour Oskouei|Mohammadhosein Safari

伊朗科学技术研究组织（IROST）先进材料与新技术部门，德黑兰，伊朗

摘要

MXenes作为一种优越的二维纳米材料，在能源应用中表现出色，这得益于其高电导率、大表面积和机械强度。最新研究表明，由于其独特的性质（如层状结构、优异的电导率和亲水性），MXenes能够显著提升可充电电池常用阳极材料的电化学性能。在可充电电池中，钾离子电池（PIBs）近年来受到了广泛关注，成为锂离子电池（LIBs）的有前景的替代品，主要是因为钾资源的丰富和低成本。尽管PIBs在可持续能源存储方面具有许多优势，但其发展受到钾离子较大尺寸的限制，这影响了常见钾基电极的机械和电化学稳定性。文献指出，基于MXenes的纳米复合材料有望成为提高PIBs稳定性的理想阳极材料。本文综述了基于MXenes的纳米复合阳极在PIBs中的应用研究，包括MXene/碳、MXene/TiO₂、MXene/硫化物、MXene/硒化物和MXene/碲化物等组合。特别强调了基于MXenes的电极在合成、电化学性能以及性能提升机制方面的优势。

引言

由于化石燃料和内燃机车辆的温室气体排放，能源存储系统的发展变得越来越重要。目前，已经开发了多种类型的能源存储系统，包括电化学、机械、化学、电气和热能系统，用于不同的应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。作为电化学能源存储系统的一种，可充电电池通过可逆的电化学反应来储存和释放电能。与非可充电电池相比，可充电电池具有许多优势（包括成本效益和降低的环境影响）。锂离子电池（LIBs）在离子插入型可充电电池领域取得了巨大成功，这促使研究人员开发钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（PIBs）作为更可持续和未来的替代品[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。特别是PIBs，由于地壳中钾资源丰富、成本低廉且安全性高、理论能量密度大而备受关注。然而，PIBs的研究仍处于早期阶段，实验性能与理论性能指标（包括容量）之间存在较大差距，这需要进一步的材料研究和开发[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。

电极中的电荷存储主要有三种机制：插层、合金化和转化[5]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。这些电极中使用的活性材料需要具备高的质量比和体积比充电容量、高电导率和离子导电性，以及长期的结构稳定性，以实现最佳的电化学性能。文献中有很多关于用于可充电电池的新阳极材料的报道[27]、[28]、[36]、[37]、[38]、[39]。硬碳已被作为商业化的PIB阳极材料使用，其比容量值为250–300 mAh/g，但循环稳定性较差[40]。对于石墨阳极，尽管它们在LIBs中得到广泛应用，但由于钾离子（138 pm）的尺寸远大于锂离子（76 pm）和钠离子（102 pm），导致石墨体积膨胀显著（61%），循环稳定性不佳。因此，开发具有更高比容量和循环稳定性的替代阳极材料至关重要。

MXenes是一类二维（2D）过渡金属碳化物和氮化物，由于其金属导电性和优异的亲水性而在电化学能源存储应用中受到关注。例如，MXenes独特的层状结构使其能够形成灵活且独立的薄膜，作为导电粘合剂，性能优于传统聚合物[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。研究人员正在探索基于MXenes的复合材料，以开发高容量的PIBs。MXenes具有较高的电导率（3.1 × 10³ S/m，而石墨烯的电导率为2.0 × 10³ S/m），并且表面含有丰富的官能团，被认为是能源应用中石墨烯的有希望的替代品。尽管在碱离子电池中2D材料取得了进展，但自聚集和容量衰减等问题仍然普遍存在，但MXenes仍被视为未来能源技术的领先候选材料[51]、[52]、[53]、[54]。

最近的研究证明，MXenes不仅可以作为PIBs的优质阳极材料，还可以通过形成纳米复合材料来提升其他材料的电化学性能，从而成为理想的PIBs阳极材料[55]。据我们所知，目前尚无关于基于MXenes的纳米复合阳极在PIBs中电化学性能的综述报告。因此，本研究首次聚焦于过去几年内报道的基于MXenes的纳米复合材料在PIBs中的应用进展。本文回顾和分析了这些复合材料的合成方法、设计参数和主要反应机制。图1展示了最常见的基于MXenes的纳米复合材料类型分类。在介绍基于MXenes的纳米复合材料之前，第2节首先回顾了MXenes作为PIBs阳极材料的性质。

部分摘录

MXenes

如前所述，MXenes不仅可以作为PIBs纳米复合阳极的组成部分，如果其层状结构和官能团得到优化，也可以作为独立的阳极材料使用。MXenes通过层间空间插层来储存钾离子。文献中关于MXenes作为PIBs阳极材料的电化学性能的报道较少。相关方法包括碱化、三维（3D）结构化等

MXenes/碳纳米复合材料

基于碳的材料通过插层和表面吸附的混合机制来容纳钾离子。如前所述，碳基材料的大体积膨胀（约61%）和较低的ICE值是将其用作PIBs阳极材料的主要挑战。在MXenes/碳纳米复合阳极中，MXene纳米片提供机械稳定性，而碳材料则防止MXenes的重新堆叠

MXenes/氧化物纳米复合材料

像TiO₂这样的氧化物材料因其对可充电电池的优异性能而受到关注。本节首先回顾了MXene/TiO₂纳米复合材料（最常见的MXenes/氧化物纳米复合材料类型）在PIB阳极中的应用，然后回顾了与其他氧化物材料的纳米复合材料的相关文献。

MXenes/硫化物纳米复合材料

基于硫化物的材料（如MoS₂和SnS₂）是具有高理论容量的有前景的PIB阳极候选材料。这些材料通过三种不同的机制储存钾离子：插层（保持宿主晶体结构）、转化（还原为金属纳米颗粒和K₂S）以及转化-合金化（活性金属如Sn或Sb与钾进一步合金化以提高容量）。然而，它们的应用目前受到限制

MXenes/硒化物纳米复合材料

金属硒化物由于其良好的电导率、较大的层间间距和高理论容量，成为高能量密度PIBs的理想材料。这些材料通过转化和转化-合金化机制储存钾离子。MXenes/硒化物纳米复合材料利用MXenes的高导电性和灵活性来克服硒化物的大体积膨胀和低电导率问题

MXenes/碲化物纳米复合材料

过渡金属碲化物（TMTs）由于其高理论容量值和优异的电子导电性，成为有前景的PIB阳极材料。然而，低的扩散系数和充放电过程中的大体积膨胀限制了它们的应用。最近的研究表明，将TMTs与MXenes结合使用可以显著提升电化学性能。本节总结了相关实验结果

MXenes/碳化物化合物纳米复合材料

基于碳化物的PIB阳极是一类新兴的阳极材料，利用碳化物的独特性质来提升电池性能。关于MXenes/碳化物纳米复合材料性能的报道很少。在Zhang等人的研究中[112]，设计了一种Co₃C/MXene复合材料，该复合材料用多孔氮掺杂碳（Co₃C/MXene@C）作为涂层和MXene复合

MXenes与基于MXenes的纳米复合阳极的比较

为了便于比较，表1列出了本研究中回顾的MXenes和基于MXenes的纳米复合阳极的合成方法、形态和电化学性能。根据表1，原始MXenes的适用性最低，而基于MXenes的纳米复合材料显示出显著的性能提升。原始MXenes（如碱化处理的Ti₃C₂纳米带）在初始放电率（例如150 mA/g电流密度下的77 mAh/g）方面表现一般

总结与展望

本研究首次回顾了MXenes及其基于MXenes的纳米复合阳极在钾离子电池（PIBs）中的最新研究进展。详细讨论并比较了不同类别的MXenes纳米复合材料在合成技术、关键设计参数、结构性质、电化学性能和性能提升机制方面的差异。以下是主要发现：

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在CNTs的情况下，MXenes与CNTs之间的相互作用

CRediT作者贡献声明

Hamed Aghamohammadi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，研究。Hesam Iranipour Oskouei：撰写 – 原稿撰写，研究。Mohammadhosein Safari：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。