• 作者介绍

通讯作者简介：王子良，博士，山东大学核科学与能源动力工程学院教授，博士生导师。先后入选山东大学齐鲁青年学者、山东省HW优青、泰山学者青年专家等。主要从事流态化技术、热化学转化技术及生物质/有机固体废物处理设备、低零碳燃料与技术、制氢与用氢、新型电极材料开发等。先后独立主持国家自然科学基金、山东省泰山学者青年专家项目、山东省优秀青年科学基金项目 (HW) 等项目。在国内外高水平学术期刊发表SCI论文60余篇，申请发明专利30项。担任Green Energy and Resources执行主编、Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 青年编委、《环境卫生工程》青年编委、以及中国化工学会工程热化学专业委员会委员等。

第一作者简介：罗文龙，山东大学核科学与能源动力学院能源环境工程与辐射防护研究中心在读博士生，先前从事MXene柔性电极材料开发并以第一作者身份发表SCI论文7篇 (高被引论文4篇)，现主要从事CO₂资源化转化研究。

• 文章导读

可穿戴电子产品、智能传感器、软机器人等技术的快速发展对便携式储能设备的性能提出了更高的要求，柔性超级电容器迎来了新的发展机遇。在诸多电极材料中，MXene凭借其类石墨烯的层状大比表面积、优异的亲水性、出色的电导率以及理论电容等特性被认为是柔性超级电容器电极的理想材料。山东大学王子良教授及其团队在Materials期刊发表的文章 (英文：MXene-Based Electrodes for Flexible Supercapacitors: From Material Synthesis to Device Integration)，介绍了MXene的发展历程，总结了常用的MXene合成策略并探讨了不同策略对其结构和性能的影响，回顾了近年来MXene及其复合材料在柔性超级电容器中的应用情况。作者在以往研究的基础上分析了MXene及其复合电极开发过程中面临的关键挑战，并提出缓解策略，为MXene在柔性储能领域的设计与可规模化制造提供理论指导。

图1. MXene及其复合材料在柔性超级电容器中的应用 (图文摘要)

• 研究过程与结果

1. MXene的发展历程

分析了近年来MXene及其复合材料在超级电容器和储能领域的发展趋势，回顾了MXene及其复合材料在柔性超级电容器中的发展历程 (图2)。

图2. (a) MXene在超级电容器和能源领域应用的发展趋势；(b) MXene基柔性超级电容器的发展历程。

2. MXene的合成策略

该部分回顾了常用的MXene合成策略，包括HF刻蚀法、氟化盐刻蚀法、熔融盐刻蚀法、电化学刻蚀法以及化学气相沉积法。总结并对比了不同方法制备MXene材料的优势和局限性，指出了不同方法的核心反应机理。HF刻蚀法的核心机理是HF选择性地断裂MAX相中的M-A键，从而剥离A层原子，同时保留二维的M-X框架结构。氟化盐刻蚀法的核心机理是在强酸环境中使用LiF、NH₄F或NH₄HF₂等氟化盐，原位合成HF，从而实现对MAX相的选择性刻蚀。熔融盐刻蚀法利用高温熔融的路易斯酸盐与MAX相发生氧化还原反应，选择性地从A层去除原子，从而制备出层状MXene。电化学刻蚀法通常以MAX相作为电极，通过阳极溶解或在特定电解液中选择性蚀刻去除A层元素。与上述策略不同，化学气相沉积等自下而上的合成技术，直接利用原子或分子单元进行MXene框架合成，而非通过刻蚀MAX相前驱体。

图3. MXene合成的不同刻蚀方法以及对应的SEM图。

3. MXene及其复合材料在柔性超级电容器中的应用

该部分回顾了MXene、MXene/碳材料、MXene/导电聚合物以及MXene/过渡金属化合物近年来在柔性超级电容器中的应用情况，分析并讨论了不同电极的作用机制以及局限性。目前的MXene电极设计主要侧重于建立离子扩散通道，从而有效改善离子传输动力学。然而，一些结构调控策略虽然提高了比电容，但也可能降低器件的能量密度和循环稳定性。碳材料的引入能有效抑制MXene的自堆叠现象，并通过形成导电网络和离子传输通道显著提升其电化学性能。然而，现有研究仍不够全面，较高的比表面积往往以体积能量密度为代价，而复杂的分层结构则会增加制造成本和工艺复杂性。导电聚合物的引入增强了MXene电极的赝电容贡献和能量密度，并在夹层结构的支持下改善了离子传输性能。然而，目前大多数研究中所获得的高比电容依赖于高聚合物含量的添加。导电聚合物固有的问题 (如体积膨胀、结构老化和界面分层) 尚未得到解决。过渡金属化合物的引入能够显著提升MXene复合电极的赝电容贡献和能量密度，是突破MXene储能当前性能瓶颈的关键途径。然而，以往研究主要通过增加活性组分含量或构建复杂的异质结构来实现高容量，但这种方式往往导致离子扩散路径变长、结构稳定性下降以及制备工艺更加复杂。总的来说，未来的研究应更加关注MXene复合材料如何在高能量密度、高功率输出和长寿命之间取得平衡

4. MXene及其复合材料应用面临主要挑战

(1) 受分子间作用力的影响，MXene纳米片在工作过程中表现出自堆叠行为，尤其在高负载或厚电极条件下更为明显。(2) 表面官能团的丰富性导致MXene在长期运行过程中氧化稳定性不足。(3) 单个MXene器件的电压窗和能量密度相对有限，不能满足实际应用要求。(4) 反复弯曲或拉伸会损害MXene的结构稳定性。(5) MXene合成过程的高成本和安全环保问题。

图4. MXene基柔性超级电容器从设计到实际应用的关键挑战。

• 研究总结

本文通过回顾MXene发展历程，总结并分析MXene常用策略的特性，探讨不同MXene基复合材料在柔性超级电容器中的应用，深入分析了影响器件储能能力、充放电速率、循环寿命及机械柔性的关键因素。此外，结合柔性超级电容器的实际应用需求，本文分析了MXene基电极材料面临的关键挑战并给出相应的缓解策略。最后，探讨了MXene在柔性储能领域未来的研究方向，强调需要通过在结构设计、界面工程和器件层面协同调控，实现性能与可制造性之间的平衡。总体而言，MXene及其复合材料已成为柔性超级电容器电极研究中的重要体系。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/1996-1944/19/12/2618

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• Materials 期刊介绍

主编：

Prof. Dr.Maryam Tabrizian, McGill University, Canada; 

Prof. Dr. Yuguang Ma, South China University of Technology, China

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。目前，期刊已被Scopus, SCIE (Web of Science), PubMed等多个数据库收录。

2025 Impact Factor：3.7 (JCR Q2*)

2025 CiteScore：7.0 (Scopus Q1*)

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Acceptance to Publication：3.6 Days   

*JCR Q2 at "PHYSICS, APPLIED" and "METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING" Categories

*Scopus Q1 at "Condensed Matter Physics" Category

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

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