研 究 背 景

超级电容器凭借超快充放电速率、高功率密度与超长循环稳定性，成为衔接传统电容器与电池的关键储能技术，在电动汽车、电网调峰等场景具备重要应用价值。然而，其能量密度通常仅为 5–20 Wh kg^-1，远低于锂离子电池（约 100–265 Wh kg^-1）与燃料电池（约 350 Wh kg^-1），成为制约其大规模部署的核心瓶颈。

非对称超级电容器（ASC）通过将法拉第型（电池型）正极与非法拉第型（电容型）负极配对，可将工作电压窗口拓宽至 1.6–2.0 V，在不牺牲功率密度的前提下显著提升能量密度。但传统碳基 EDLC 电极比电容有限，过渡金属氧化物与导电聚合物等赝电容材料又受限于本征电导率低、结构降解与循环稳定性差等问题。在此背景下，MXene—— 一类二维过渡金属碳 / 氮 / 碳氮化物（通式 M_n+1X_nT_x），凭借超高金属电导率（约 20000–24000 S cm^-1）、可调表面化学（–OH、–O、–F 等端基）、本征亲水性以及优异机械 robustness（杨氏模量 484±13 GPa，拉伸强度 15.4±1.9 GPa），成为同时满足高能量密度、高功率输出与长循环寿命的理想 ASC 电极材料。

成 果 介 绍

韩国庆熙大学Soo-Jin Park等人系统梳理了 MXene 基高能量密度非对称超级电容器的研究进展。文章从 MXene 的原子与电子结构、合成策略（选择性刻蚀 MAX 相、熔盐法、无氟电化学刻蚀等）出发，深入讨论表面功能化、层间距调控、缺陷工程等结构工程手段对离子传输与电荷存储的调控机制；进而全面总结 MXene 作为负极、正极、正负极两用电极，以及在透明超级电容器、微型超级电容器（MSCs）等新兴器件构型中的最新研究成果，整合大量代表性器件的比电容、能量密度、功率密度与循环稳定性数据。文章还批判性分析了 MXene 电极面临的层间重堆叠、水相氧化不稳定、规模化合成成本与环境安全等核心瓶颈，并结合 DFT 计算、机器学习辅助设计、绿色合成与回收等前沿方向，提出 MXene 基 ASC 从实验室原型走向商业化的可行路径。该成果以“MXenes as a Versatile Platform for High-Energy-Density Asymmetric Supercapacitors”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

研 究 亮 点

1. 系统建立 "合成 — 结构 — 器件" 关联框架：将选择性刻蚀、熔盐法、自下而上生长等合成路线与层间距、孔隙率、异质界面等微观结构特征直接关联，明确其对 ASC 能量 - 功率权衡与循环耐久性的调控规律，突破以往综述仅泛泛介绍 MXene 合成与化学的局限。

2. 全面覆盖 MXene 多角色电极应用：系统总结 MXene 作为负极（搭配 PANI、MnO₂、MOF 等正极）、正极（搭配 AC、RGO 等负极）以及正负极两用的完整研究图谱，涵盖水相、有机相、离子液体等多种电解质体系，量化对比各类器件性能区间。

3. 拓展至透明与微型储能等前沿方向：梳理 MXene 基透明导电电极（TCE）在柔性透明 SC 中的应用，以及 3D 打印、喷墨印刷、EHD 打印等先进制备技术构筑微型超级电容器的进展，展示 MXene 在可穿戴、便携式、自供电微系统中的多功能潜力。

4. 批判性分析现实瓶颈与未来路径：明确指出 MXene 水相氧化（边缘优先氧化生成 TiO₂）、纳米片重堆叠、HF 基合成的环境与安全风险、规模化制备成本等被多数文献忽略的关键障碍，并提出表面封装、边缘钝化、绿色无氟刻蚀、DFT / 机器学习辅助成分筛选等针对性解决方案。

图 文 解 析

图 1 MXene 基非对称超级电容器（ASC）各种构型示意图

图 2 MXene 结构多样性与电子性质：六种 MXene 框架、Ti₃C₂(OH)₂层堆叠投影、能带结构与费米面

图 3 MXene 制备与发展历程：传统刻蚀 / 剥离方案、盐辅助（NaCl/KCl）刻蚀 / 剥离方案、MXene 研究突破时间线

图 4 MXene 电学与力学性能：Ti₃C₂T_x电阻 - 温度关系、纤维 / 纱线电导率、AFM 纳米压痕、拉伸强度、HMP 复合纸、芳纶纳米纤维复合、棉纱 / 氨纶纱力学性能

图 5 Ti₃C₂T_x基材料热学、光学与光电特性：TG 热重分析、变温拉曼、UV-Vis 光谱、方块电阻 - 透过率关系、全光调制器系统

图 6 Ti₃C₂T_x基 MXene 及复合材料表面改性、电磁屏蔽与结构表征：退火表面改性、EM 波吸收与屏蔽、NiCo₂O₄/Ti₃C₂复合、PEG 共价表面改性、KOH 改性 MXene

图 7 Ti₃C₂T_x MXene 离子嵌入行为与结构演变：SEM 形貌、XRD 峰演变、d 间距变化、CV 曲线、Li⁺/Na⁺/Mg²⁺嵌入计算、Ti₃C₂T_x-An 合成与 HRTEM、离子传输机理、Ti₃C₂T_x/ 氰尿酸复合

图 8 MXene 在 ASC 中的电荷存储机制与 CV/GCD 特征示意图

图 9 MXene 下一代储能路线图：早期阶段、现有阶段、未来阶段的生产方式与器件形态演变

图 10 MXene 作为负极的 SC 电化学性能：Ti₃C₂电极 CV 曲线、溶剂化 / 去溶剂化态 SC 示意、充放电曲线、V-MnO₂//Ti₃C₂T_x ASC 构型与 SEM、循环稳定性、VA-Ti₃C₂T_x@COF-LZU1 TEM 与离子传输、柔性全固态 SC 循环

图 11 MXene 作为正极的 SC 电化学性能：PMG-5 SEM/TEM/XRD/ 拉曼表征、Zn²⁺-MXene 相互作用示意、GCD 曲线、Ti₃C₂T_x膜截面 SEM 与 TEM、拉曼拟合、正负极 GCD 曲线

图 12 MXene 作为正负极两用的 SC 电化学性能：有序 V₂CT_x片结构示意、截面 SEM 与 Li-V₂CT_x膜 TEM、3D-PMCF 冻干形貌与截面 SEM、长循环性能

图 13 Ti₃C₂T_x MXene 基透明柔性固态 SC：制备流程示意、透明膜与器件照片、GCD 曲线、非对称器件循环稳定性、柔性透明电极、MXene/AgNW-PUA 膜、能级图与 J-V 曲线

图 14 Ti₃C₂T_x基微型超级电容器：EHD 3D 打印系统示意、图案化 MSC 阵列制备、同心圆形 MSC 显微照片、Zn 离子 MSC 阵列与柔性展示、半球形眼戴式器件示意、Ti₃C₂T_x-MSCs、EIS 与 Ragone 图

图 15 MXene 基微型超级电容器架构、制备与电化学行为：堆叠 / 叉指 / 3D 平面设计示意、准固态堆叠 MSC 制备与 GCD、MXene/CNT 叉指 MSC 制备与光学照片、电容与库伦效率

图 16 MXene 基 ASC 电极面临的挑战与商业化前景示意图

研 究 小 结

MXene 及其复合材料凭借可调表面功能化、结构适应性与优异电化学性能，站在下一代储能技术 —— 尤其是非对称超级电容器 —— 的前沿。通过表面功能化、层间工程（柱撑结构、间隔层、分级孔隙）、与碳纳米材料 / 导电聚合物 / 金属氧化物的复合杂化等策略，可有效克服纳米片自堆叠、水相氧化不稳定等固有瓶颈，实现高比电容、宽电压窗口与长循环寿命的协同。当前研究已从单一 Ti₃C₂T_x拓展至 V₂CT_x、Nb₂CT_x、Nb₄C₃T_x等多元 MXene 体系，并在透明柔性器件、3D 打印微型储能等新兴方向展现出独特优势。

然而，MXene 基 ASC 的商业化仍面临材料规模化合成、前驱体可获得性、合成复杂度、循环降解与电化学循环中团聚等 formidable 障碍。未来研究需重点发展绿色、低成本、可规模化的无氟刻蚀工艺；拓展非 Ti 基 MXene 的电荷存储机理解析；结合 DFT 计算与机器学习算法加速理想表面端基与成分的筛选；利用原位 TEM、XRD、拉曼、XPS 等先进表征揭示充放电过程中的动态结构与化学演变；并推进 MXene 在柔性、透明、微型器件中的系统集成。通过跨学科的整体性研究策略，MXene 有望从极具前景的实验室纳米材料，转变为商业化 ASC 技术的核心组件，推动高性能、柔性、可持续储能系统的发展。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

MXenes as a Versatile Platform for High-Energy-Density Asymmetric Supercapacitors

文章研究方向：

二维材料

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70247

DOI: 10.1002/cey2.70247

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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