综述：二维MXenes中的杂原子掺杂用于储能/转换应用
文摘
科学
2024-10-18 17:42
湖南
文章题目：Heteroatom doping in 2D MXenes for energy storage/conversion applications
出版信息：Adv. Powder Mater. 3(2024) 100246.
第一作者：Sumanta Sahoo
通信作者：Sumanta Sahoo, Rajesh Kumar, Iftikhar Hussain, Kaili Zhang
MXenes（无机金属碳化物、氮化物和碳氮化物）是二维材料家族中的新兴之星。本文综述了MXenes杂原子掺杂的研究现状，包括掺杂的基本原理、合成方法、在二次电池、超级电容器和电催化等能源相关应用中的进展，还讨论了人工智能/机器学习对MXene研究的影响，最后指出了掺杂MXenes面临的挑战和未来前景。
随着人类文明的迅速发展，全球研究人员致力于开发替代能源以满足未来的能源需求并控制污染。环保、可持续、高效的清洁能源存储设备备受关注。二次电池和超级电容器是当前广泛研究的两种储能装置。然而，这些设备存在一些严重缺点：电池功率密度低，而超级电容器能量密度低。因此，解决这些问题将显著改变能源路线图。MXene因其独特的结构和特性，已成为能源相关应用的研究热点。1. 掺杂技术的发展：通过掺杂技术显著提高了MXene的电化学性能。2. 新型MXene的探索：发现了多种新型MXene材料，拓展了MXene家族。3. 人工智能的应用：利用人工智能和机器学习加速MXene的研究进程。随着人类文明的进步，对高效、环保的储能设备需求日益增加。二维材料因其独特的性质被广泛应用于电极材料。其中，MXenes具有多种结构和特性，其电荷存储能力受多种因素影响。缺陷工程是提高二维材料电荷存储性能的有效方法，而杂原子掺杂是一种重要的缺陷工程手段。本文将介绍MXenes的杂原子掺杂在能源存储和转换应用中的研究进展。
1）二维材料中的缺陷包括边缘缺陷、拓扑缺陷、空位缺陷等，这些缺陷对材料的电化学性能有显著影响。2）缺陷可以是本征缺陷（在实验制备过程中不可避免地引入）或非本征缺陷（通过人工可控的方式引入）。1）掺杂是通过向二维材料中引入杂原子来创建缺陷的方法，可以有效改变材料的物理和化学性质。2）掺杂可以通过改变材料的电子结构来提高其电荷存储效率，是一种调节材料性质的有效方法。MXenes是由过渡金属氮化物、碳化物和碳氮化物组成的二维材料，其化学通式为Mn+1XnTx。常见的MXene材料包括Ti - MXene等，还有一些非Ti - MXene和双MXenes也被报道。MXenes具有优异的导电性、良好的机械性能、较高的能量密度和热导率等。其电子性质、机械性质和热导率等可以通过控制表面终端基团、缺陷工程和调节层间距等方法进行调节。一般采用蚀刻前驱体的MAX相来合成MXene，也有直接从非MAX相合成的报道。其合成方法包括顶部向下和底部向上两种途径，其中顶部向下的蚀刻方法是最常用的。杂原子掺杂可以增加MXenes的层间距，加速离子转移动力学，提高表面润湿性，提供额外的活性位点，从而改善其电化学性能。掺杂可以在M、X和T三个位置进行，其中非金属掺杂剂N在MXenes掺杂中应用较为广泛。1）N掺杂可以提高MXenes的导电性和氧化还原活性，增强其电容性能，但不能改变其形貌，且会略微降低结晶度。2）S掺杂可以提高Ti - MXene的气体传感性能，增加层间距；4）O掺杂可能增强MXene的电子导电性和储能性能；5）金属掺杂如Nb掺杂可以降低MXene的带隙，提高其电荷存储能力。
图3. MXene中掺杂的模拟和过渡态能量的计算。1）N掺杂Ti - MXenes：可以通过将Ti - MXene与尿素或氨气等在高温下退火来实现N掺杂，不同的氮源和退火条件可以控制氮的掺杂浓度。图4. N掺杂脱层Ti-MXene纳米片的示意图。2）S掺杂Ti - MXenes：利用含硫化合物与Ti - MXene通过热退火反应制备S掺杂的MXene，可提高电极的比容量和循环稳定性。3）P掺杂Ti - MXenes及其他MXene：通过退火Ti - MXene与次磷酸钠等混合物来制备P掺杂的MXene，不同的合成条件可得到不同性能的材料，P也可掺杂到V2CTx等MXene中。图5. (a-c) S掺杂的Ti-MXenes和(d) P掺杂的Ti-MXene纳米片示意图。4）共掺杂MXenes：例如NS共掺杂Ti - MXene可以通过两步法（退火和溶剂热法）或两步插层退火法制备，也有NS共掺杂V2CTx和Nb2C
MXene的报道。1）溶剂热/水热法N掺杂Ti - MXene：以二乙醇胺等为氮源，通过溶剂热或水热法在一定温度下反应制备N掺杂的Ti - MXene，还可以制备N掺杂的量子点。
图6. 辅助溶剂制备N掺杂的Ti-MXene片状物质的溶剂热过程。2）溶液处理法（搅拌、超声和离心）：通过溶液中不同原子（如N、S、Cs、Ru、Nb等）与MXene的反应实现掺杂，如超声处理下NH3与Ti - MXene反应制备N掺杂的MXene。3）基于氟的掺杂MAX相湿蚀刻：通过蚀刻含硫的Ti3AlC2 MAX相制备S掺杂的Ti-MXene，有多种蚀刻和分层方法。
图7. 刻蚀含S掺杂的Ti-MXene的制备过程。1）N掺杂MXene：N掺杂MXene在超级电容器中有广泛应用，其掺杂水平对电化学性能有显著影响。在不同电解质中表现出不同的电容性能，且与其他材料复合可进一步提高性能。2）其他掺杂MXene：除N外，O、P等掺杂的Ti - MXene也有报道，共掺杂MXene也可提高电容性能。不同掺杂的MXene在不同电解质中的性能各有特点。
图8. MXene基超级电容器的3D打印技术。
图9. N掺杂Ti-MXene的复合材料的作为超级电容器应用。
图10. 掺杂和共掺杂MXene（Ti-MXene）超级电容器的理论计算。
图11. 杂原子掺杂提高Ti-MXene材料电化学性能。1）MXene在二次电池中的应用：MXene因其高表面积、高导电性和长化学稳定性被广泛用于二次电池，掺杂工程可进一步提高其性能。2）不同电池中的应用：在Li - ion、Na - ion、Li - S、Na -
S、K - ion、Zn - ion等电池中，掺杂MXene或其复合材料被用于电极材料（包括阳极、阴极）和隔膜，可提高电池的容量、循环稳定性等性能。图12. N掺杂的Ti-MXene/SiOx电极在Li离子电池中应用。图13.
(a-c) Li-S电池中N掺杂的Ti-MXene/S正极在的充放电曲线和(e) Na-S电池中S掺杂MXene/S正极结构和放电过程。图14. (a, b) N、S共掺杂的Ti-MXene/SnO2复合电极中可逆储存K+离子和(c, d) S掺杂的Ti-MXene/ZnS/Zn阳极的水系可充电池的稳定性。1）氢析出反应（HER）：MXenes基HER电催化剂受到关注，杂原子掺杂可提高其性能。不同的掺杂MXene（如N掺杂、NS共掺杂等）通过改变电子结构和表面化学，提高了HER活性。图15. N和S掺杂的Au/Ag/Ru修饰的MXene电极的HER性能。2）氧析出反应（OER）：杂原子掺杂也可提高MXenes的OER性能，如N掺杂Ti - MXene通过增加活性位点和改变电子结构提高了电催化活性。4.7 人工智能/机器学习在MXene研究中的应用在能源存储研究中，人工智能和机器学习可用于预测和优化能源存储和转换设备，加速新材料的研发过程。在MXene研究中，包括预测MXenes的性质、探索结构-性能关系、加速能带识别和检测能带边缘等，还可用于研究MXene材料的稳定性、合成性等参数。图17. 用于开发能量储存设备的人工智能、机器学习和物联网平台本文综述了MXenes杂原子掺杂的研究进展，包括掺杂原理、合成方法和在能源相关领域的应用，以及人工智能/机器学习对MXene研究的影响。另外，需要进一步明确掺杂和取代MXenes的区别，探索底部向上的合成方法，深入理解掺杂机制，关注非Ti -
MXenes的掺杂，加强对共掺杂的研究，进一步利用人工智能和机器学习技术，以及探索金属掺杂的机制等。本文全面综述了二维MXenes中杂原子掺杂在能源存储/转换应用方面的研究进展。介绍了二维材料缺陷和掺杂的基本原理，详细阐述了MXene材料的特性、合成方法以及杂原子掺杂的优势、位置和不同杂原子的掺杂效果。还系统总结了掺杂MXene材料的多种合成策略以及在超级电容器、二次电池和电催化等能源相关应用中的性能表现。此外，讨论了人工智能/机器学习在MXene研究中的应用，最后指出了掺杂MXenes研究的现状和未来研究方向，为该领域的进一步发展提供了参考。
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Sumanta Sahoo，韩国Yeungnam大学化学工程系教授。曾在韩国科学技术院、印度理工学院（印度矿业学院）和马达纳帕尔莱理工学院等多所机构工作。主要研究方向是化学合成石墨烯，基于石墨烯和导电聚合物制备超级电容器电极，水热法合成三元纳米氢化物、无粘合剂超级电容器电极的制备和基于MXene的不对称超级电容器器件。发表论文/专著100余篇。
Rajesh Kumar，印度理工学院研究员（Ramanujan Fellow）。曾在韩国科学技术院（石墨烯研究中心）、延世大学、巴西坎皮纳斯州立大学，圣保罗州立大学、日本丰桥技术科学大学工作。研究领域主要集中在新型二维层状材料（石墨烯、MXenes、层状双氢氧化物、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨等）及其在能源、传感器和电磁干扰（EMI）屏蔽等方面的应用。在国际顶尖期刊中发表论文及专著125余篇。![]()
Iftikhar Hussain，现就职于香港城市大学。韩国延世大学硕士；香港城市大学博士，导师张开黎教授；曾任美国德雷塞尔大学访问研究员，导师Yury Gogotsi教授。他的主要研究领域是能量存储/转换电极材料的开发。曾在Prog. Mater. Sci., PECS, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Mater. Sci. Eng. R Rep., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Energy Lett., Mater. Today, Coord. Chem. Rev., Energy Storage Mater., Small, Carbon Energy, Nanomicro Lett., Nano energy, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces., J. Energy Chem., Chemical Engineering Journal, Adv. Colloid Interface Sci., J. Power Sources 等期刊发表论文。
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张开黎，香港城市大学机械工程系教授。2006年获新加坡国立大学博士学位。随后，在法国国家科学研究中心（LAASCNRS）和瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）从事博士后研究。于2009年加入香港城市大学担任助理教授。研究方向包括能量存储/转换纳米材料、含能材料、含能芯片等。在知名期刊上发表论文200余篇。
Sumanta Sahoo, Rajesh Kumar, Iftikhar Hussain, Kaili Zhang. Heteroatom doping in 2D MXenes for energy storage/conversion applications
, Adv. Powder
Mater. 3(2024) 100246. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100246
100246-main.pdf
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相调控供体掺杂的可逆质子陶瓷电池空气电极
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Advanced Powder Materials（先进粉体材料（英文））创刊于2022年1月，由中南大学与KeAi合作创办，粉末冶金国家重点实验室和粉末冶金国家工程研究中心承办的粉体材料领域的学术期刊。主编是黄伯云院士和Chain-Tsuan Liu院士。致力于发表国内外粉体材料领域及其交叉学科具有原创性和重要性的最新研究成果。
l 坚持高质量办刊，审稿原则“高效、双盲、严格”
l IF：28.6
l 获得奖项：
