МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ MXENE ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕМКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

В данном обзоре всесторонне анализируются и систематизируются современные методы модификации, направленные на улучшение емкостных характеристик двумерных MXeneматериалов, прежде всего Ti₃C₂Tₓ и родственных соединений, для их использования в суперконденсаторах и гибридных устройствах хранения энергии. Высокая электронная проводимость, слоистая структура и химически активная поверхность MXene-материалов делают их перспективными электродными материалами для устройств хранения энергии. Однако их практическое применение характеризуется рядом ограничений, таких как повторное уплотнение слоев, ограниченная доступность активных центров и снижение структурной стабильности при длительной работе. В данном обзоре рассматриваются основные стратегии модификации, влияющие на электрохимические свойства MXene-материалов, включая контроль межслоевого расстояния на основе интеркаляции, функционализацию концевых групп поверхности, формирование композитов с углеродными наноматериалами и оксидами переходных металлов, легирование гетероатомами, морфологическое проектирование и различные методы постобработки. Сравнительно оценивается влияние этих подходов на ионную и электронную проводимость, долю псевдоконденсации и циклическую стабильность электродных материалов. На основе литературных данных проведен обобщенный анализ показателей удельной емкости и долговременной циклической стабильности, а также сформулированы практические рекомендации и направления будущих исследований по оптимизации электродов на основе MXene.

1. MXenes: A new family of two-dimensional materials / M. Naguib et al // Advanced Materials. – 2014. – Т. 26, № 7. – Р. 992-1005.

2. Conductive two-dimensional titanium carbide clay with high volumetric capacitance / M. Ghidiu et al // Nature. – 2014. – Т. 516. – Р. 78-81.

3. Transparent conductive two-dimensional titanium carbide epitaxial thin films / J. Halim et al // Chemistry of Materials. – 2014. – Т. 26, № 7. – Р. 2374-2381.

4. Anasori B. 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage / B. Anasori, M.R. Lukatskaya, Y. Gogotsi // Nature Reviews Materials. – 2017. – Т. 2. – № 16098.

5. Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides / M.R. Lukatskaya et al // Nature Energy. – 2017. – Т. 2. – № 17105.

6. Guidelines for synthesis and processing of two-dimensional titanium carbide (Ti₃C₂Tₓ MXene) / M. Alhabeb et al // Chemistry of Materials. – 2017. – Т. 29, № 18. – P. 7633-7644.

7. MXenes: An introduction of their synthesis, select properties, and applications / L. Verger et al // Trends in Chemistry. – 2019. – Т. 1, № 7. – P. 656-669.

8. Gogotsi Y. The rise of MXenes / Y. Gogotsi, B. Anasori // ACS Nano. – 2019. – Т. 13, № 8. – P. 8491-8494.

9. Carbon-intercalated Ti₃C₂Tₓ MXene for high-performance supercapacitors / L. Shen et al // Journal of Materials Chemistry A. – 2018. – Т. 6, № 46. – P. 23513-23520.

10. Flexible and conductive MXene films and nanocomposites with high capacitance / Z. Ling et al // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 2014. – Т. 111, № 47. – P. 16676-16681.

11. Pseudocapacitance of MXene nanosheets for high-power sodium-ion hybrid capacitors / X. Wang et al // Nature Communications. – 2015. – Т. 6. – № 6544.

12. Two-dimensional vanadium carbide MXene as positive electrode for sodium-ion capacitors / Y. Dall’Agnese et al // Journal of Physical Chemistry Letters. – 2015. – Т. 6, № 12. – P. 2305-2309.

13. Pseudocapacitive electrodes produced by oxidation of MXenes / M. Boota et al // Advanced Materials. – 2016. – Т. 28, № 7. – P. 1517-1522.

14. Pillared MXene with ultralarge interlayer spacing for enhanced sodium-ion storage / J. Luo et al // ACS Nano. – 2017. – Т. 11, № 3. – P. 2459-2469.

15. MXene hydrogels: fundamentals and applications / Y.Z. Zhang et al // Chemical Society Reviews. – 2020. – Т. 49, № 20. – P. 7229-7251.

16. Intercalation chemistry of MXenes for energy storage / H. Wang et al // Energy Storage Materials. – 2019. – Т. 17. – P. 119-129.

17. Nitrogen-doped MXene for enhanced supercapacitor performance / H. Shao et al // Electrochimica Acta. – 2019. – Т. 318. – P. 676-684.

18. Sulfur-doped MXene electrodes for high-performance supercapacitors / Y. Li et al // Journal of Power Sources. – 2020. – Т. 451. – № 227777.

19. Ti₃C₂Tₓ MXene/graphene composites for high-performance energy storage / Y. Dong et al // Carbon. – 2017. – Т. 119. – P. 351-360.

20. All-MXene asymmetric supercapacitors / Y. Peng et al // Energy and Environmental Science. – 2016. – Т. 9. – P. 2847-2854.

21. High-temperature stability of MXenes / M. Seredych et al // Carbon. – 2019. – Т. 146. – P. 712- 723.

22. Yu X. Electrode-electrolyte interfaces in MXene-based supercapacitors / X. Yu, A. Manthiram // Energy Storage Materials. – 2020. – Т. 29. – P. 368-382.

23. A non-aqueous asymmetric cell with a Ti₂C-based two-dimensional electrode / J. Come et al // Journal of the Electrochemical Society. – 2012. – Т. 159, № 8. – P. A1368-A1373.

24. Flexible MXene films for microsupercapacitors / C. Zhang et al // Advanced Functional Materials. – 2018. – Т. 28. – № 1705506.

25. Surface chemistry tuning of MXenes for electrochemical energy storage / S.J. Kim et al // ACS Applied Materials and Interfaces. – 2018. – Т. 10. – P. 2746-2756.

26. Layered Ti₃C₂Tₓ MXene for supercapacitors / F. Liu et al // Journal of Materials Chemistry A. – 2017. – Т. 5. – P. 15983-15990.

27. Hollow MXene spheres and 3D frameworks for sodium-ion storage / M.Q. Zhao et al // Advanced Materials. – 2017. – Т. 29. – № 1702410.

28. Pillared MXene for high-rate electrochemical energy storage / H. Wang et al // Energy Storage Materials. – 2019. – Т. 17. – P. 14-22.

29. Additive-free MXene inks and direct printing of micro-supercapacitors / C. Zhang et al // Nature Communications. – 2019. – Т. 10. – № 1795.

30. El-Demellawi J.K. MXene-enabled electrochemical energy storage: synthesis, properties, and applications / J.K. El-Demellawi, L. McKeon, Y. Gogotsi // Advanced Energy Materials. – 2021. – Т. 11. – № 2003517.

31. Novel amperometric glucose biosensor based on MXene nanocomposite / R.B. Rakhi et al // Biosensors and Bioelectronics. – 2016. – Т. 83. – P. 42-47.

32. Xie Y. Hybrid density functional study of structural and electronic properties of MXenes / Y. Xie, P.R.C. Kent // Physical Review B. – 2013. – Т. 87. – № 235441.

33. Tang Q. Are MXenes promising anode materials for lithium-ion batteries? / Q. Tang, Z. Zhou, P. Shen // Journal of the American Chemical Society. – 2012. – Т. 134. – P. 16909-16916.

34. Electrochemical and in situ X-ray diffraction studies of Ti₃C₂Tₓ MXene in ionic liquid electrolyte / Z. Lin et al // Electrochemistry Communications. – 2016. – Т. 72. – P. 50-53.

35. Electrochemical characterization of MXene electrodes using operando techniques / J. Come et al // Journal of Physical Chemistry Letters. – 2015. – Т. 6. – P. 2802-2807.

36. MXene–polymer nanocomposites for flexible energy storage devices / W.T. Cao et al // Advanced Functional Materials. – 2020. – Т. 30. – № 1907316.

37. MXene-based nanocomposites for supercapacitors / W. Zheng et al // Journal of Energy Chemistry. – 2021. – Т. 54. – P. 431-450.

38. High-performance flexible supercapacitors based on MXene composites / J. Zhang et al // Nano Energy. – 2019. – Т. 60. – P. 894-902.

39. All-pseudocapacitive MXene–RuO₂ asymmetric supercapacitors / Q. Jiang et al // Advanced Energy Materials. – 2018. – Т. 8. – № 1703043.

40. High-capacitance MXene–MnO₂ composites / M. Hu et al // Chemical Engineering Journal. – 2020. – Т. 384. – № 123336.

41. Charge transfer and storage in MXene electrodes / C. Chen et al // Energy Storage Materials. – 2018. – Т. 11. – P. 18-26.

42. Wen Y. Metal oxides and MXenes for supercapacitors / Y. Wen, T.E. Rufford, D. Hulicova-Jurcakova // Chemical Society Reviews. – 2021. – Т. 50. – P. 3044-3079.

43. Graphene/polyaniline nanofiber composites / K. Zhang et al // Chemistry of Materials. – 2010. – Т. 22. – P. 1392-1401.

44. Ti₃C₂ MXene nanocomposites for energy storage / J. Li et al // Nano Energy. – 2017. – Т. 33. – P. 473-486.

45. Functionalized MXene nanosheets for high-performance supercapacitors / C. Zhao et al // Journal of Materials Chemistry A. – 2019. – Т. 7. – P. 19314-19323.

46. Scaling up MXene production / L. Dong et al // Journal of Materials Chemistry A. – 2017. – Т. 5. – P. 19123-19133.

47. Fluorine-free synthesis of MXenes / T. Li et al // Angewandte Chemie International Edition. – 2018. – Т. 57. – P. 6115-6119.

48. A review of MXene-based materials for energy storage / P. Zhang et al // Energy Storage Materials. – 2021. – Т. 36. – P. 147-170.

49. Surface engineering of MXenes / L. Wang et al // Nano Today. – 2022. – Т. 42. – № 101358.

50. Chen X. Recent advances in MXene-based supercapacitors / X. Chen, Z. Zhang, Z. Zhou // Journal of Power Sources. – 2023. – Т. 560. – № 232693.