ACS Nano:通过自组装 MXene 水凝胶的温和氧化实现分层多孔三维独立 Holey-MXene 框架，用于超快伪电容储能

超级电容器具有超高功率密度和超长循环寿命，是一种前景广阔的电化学储能技术。最近，二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物（也称为 MXenes）因其卓越的导电性、可触及的表面积、表面氧化还原活性和胶体组装能力，在能量存储应用方面展现出巨大的潜力。其中将 MXene 纳米片组装成三维互连多孔水凝胶结构已成为开发独立式超级电容器电极的一种可行方法。尽管以前曾努力将三维 MXene 水凝胶用作超级电容器电极，但其广泛应用，特别是在高速率高性能超级电容器方面，面临着严峻的挑战。

近段时间，来自斯德哥尔摩大学材料与环境化学系的Anirban Sikdar教授及其团队建立了一种胶体方法来组装三维独立的孔状 MXene 水凝胶，并将其用作高性能超级电容器电极，他们选用四氨基锌（II）配合阳离子（[Zn(NH3)4]2+）将胶体 MXene 纳米片静电组装成三维互连水凝胶框架，然后采用温和的氧化酸蚀工艺在 MXene 表面形成纳米孔，旨在通过在三维多孔框架内的 MXene 纳米片上设计纳米孔来合理设计电极，使 MXene 和其他二维材料在电化学储能系统中的实际应用向前迈进了一大步。

结果显示，[Zn(NH3)4]2+ 与带负电荷的 MXene 纳米片之间的温和静电作用启动了 MXene 纳米片之间的平稳交联过程，受控的氧化酸蚀过程在水凝胶中的 MXene 纳米片表面形成了丰富的纳米孔。孔状 MXene 水凝胶具有可调的纳米孔尺寸，可通过蚀刻时间进行调节。在用作超级电容器电极时，显示出优异的比电容和 79% 的超高速率性能（5000 mV s-1）。在商用标准质量负载下，该电极在 1000 mV s-1 的扫描速率下保持了 52% 的高电容保持率。在设备配置中，孔洞-MXene 水凝胶能以 410 W kg-1 的功率密度提供 11.4 Wh kg-1 的超高能量密度。

各种基于MXene-水凝胶的电极的电化学表征

总之，导电孔洞-MXene 纳米片的互连多孔框架具有可调的面内纳米孔，可在三维空间中实现高效的电子传输路径和离子扩散通道，从而提高速率性能和能量存储容量。该团队证明合理设计 MXene 水凝胶电极结构可显著提高其储能性能，从而推动 MXene 在商业储能系统中的潜在应用。

参考文献：

Sikdar A, Héraly F, et. Hierarchically Porous 3D Freestanding Holey-MXene Framework via Mild Oxidation of Self-Assembled MXene Hydrogel for Ultrafast Pseudocapacitive Energy Storage. ACS Nano. 2024 Jan 17. doi: 10.1021/acsnano.3c11551. Epub ahead of print. PMID: 38230678.