水系锌离子混合电容器（ZHCs）具有本征安全、低成本的优点，在大规模储能领域具有广阔的应用前景。一般而言，ZHCs由电容型电极、电池型电极、隔膜和含锌盐电解液组成，其中电容型电极主要指多孔炭或其它赝电容材料（如RuO₂），而电池型电极包括锌箔或钒基/锰基氧化物。典型ZHCs结构由多孔炭正极、锌箔负极、玻璃纤维隔膜和1 mol/L ZnSO₄电解液组成，由于锌箔具有低成本、高理论质量比容量（820 mAh g^-1）、合适电极电势（-0.76 V vs.标准氢电极）以及在近中性电解液和空气中良好稳定性等诸多优势，该类型ZHCs表现出低成本、高安全与高倍率性能。然而，传统多孔炭正极具有不理想的孔结构与表面性质，难以实现高效的锌离子的存储和扩散，此外锌箔易遭受枝晶和副反应等危害，因此传统ZHCs常表现出较低的能量密度和较短的循环寿命，严重制约其实际应用。

二维过渡金属碳/氮化物（MXene）具有高导电基体和丰富表面官能团，其通式为M_n+1X_nT_x（n=1-3），其中M、X和T分别代表前过渡金属（如Ti、V、Cr、Zr、Nb）、C或N、以及表面官能团（如-O、-OH、-F、-Cl）。MXene主要通过选择性刻蚀MAX母相中的A层（Al、Si、Sn等元素）制备而得，其具有原子级超薄厚度、高电子电导（6000-8000 S cm^-1）、高杨氏模量（0.33±0.03 TPa）、高离子扩散系数以及在多种溶剂中良好分散性。自2011年Yury等报道HF酸刻蚀Ti₃AlC₂ MAX制备了Ti₃C₂ MXene以来（图1），全球范围内掀起了MXene研究热潮。

得益于MXene的独特二维结构与优异物化性质，MXene材料为构筑高性能ZHCs提供了新机遇。2019年，MXene在ZHCs得到应用，随后MXene在ZHCs正极和负极中得到了大量研究。例如，Sn⁴⁺插层的MXene表现出较大的层间距，有效抑制MXene纳米片堆叠，可实现2800 h 的稳定循环。氮掺杂可抑制MXene在高电位易氧化缺点，所得氮掺杂MXene在0.2-1.8 V电压窗口下循环9000次后容量保持率仍高达87.1%。此外，以柔性自支撑Ti₃C₂ 薄膜为集流体，在其上电沉积了垂直锌纳米片，从而制备了柔性Zn/MXene复合锌负极，重要的是，其具有绿色可降解功能。尽管少数综述文章已聚焦ZHCs炭正极、负极和电解液，然而MXene基纳米材料结构设计及其高性能ZHCs应用进展还鲜见报道。

图1 MXene的发现及其在ZHCs中的应用时间线示意图

近日，东北大学董琰峰课题组在《新型炭材料》(New Carbon Materials)发表综述“Recent progress in MXene based nanomaterials for high-performance aqueous zinc-ion hybrid capacitors”，系统综述了高性能ZHCs 用 MXene 基纳米材料的最新进展。在此过程中，先简要介绍了 ZHCs 的基础知识，如工作原理和关键电化学参数；随后，对高性能 ZHCs用MXene基正极（纯 MXene、插层MXene、掺杂MXene、MXene复合物（MXene/金属硫化物、MXene/炭、MXene/高分子））和负极（MXene基锌宿主和MXene基锌涂层）进行了分类阐述（图2）；最后，简要讨论了MXene基纳米材料在下一代ZHCs应用中的挑战和展望。

图2 图文摘要

                                           New Carbon Materials文章信息

张明慧, 徐文, 武丽莎, 董琰峰*. MXene基纳米材料在高性能水系锌离子混合电容器中的研究进展[J]. 新型炭材料, 2022, 37(3): 508-526.

ZHANG Ming-hui, XU Wen, WU Li-sha, DONG Yan-feng*. Recent progress in MXene based nanomaterials for high-performance aqueous zinc-ion hybrid capacitors[J]. New Carbon Materials, 2022, 37(3): 508-526.

期刊官网：http://xxtcl.sxicc.ac.cn

国际版主页：https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

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