MXene材料发现于2011年，是继石墨烯之后最受关注的二维纳米材料之一，近年来发展迅速，已成为材料、能源、催化、环保、传感等诸多领域研究的前沿热点。
MXene材料简介
二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，即MXene材料，是由层状陶瓷材料MAX相刻蚀去除A元素后得到的一类新型二维纳米材料。此命名既体现出该材料来源于MAX 相，又突出其具有类石墨烯(graphene)的二维片层结构的特征。MXene的化学式可表示为 Mn+1XnTx，其中M代表前过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo 等)，X代表C或/和N元素，Tx代表表面端基(—O、—OH、—F等)。由于MAX相组成和结构的多样性，由其衍生的MXene材料也成为二维材料中最为庞大的一个家族，理论预测有 100 多种，目前已合成的有40多种。
MXene材料在各领域的应用
自2011年由美国德雷塞尔大学的研究者们首次报道以来，MXene材料发展至今只有十年多时间，但组成和结构的多样性赋予了MXene材料丰富可调的电、磁、光、热和机械等性能，使其得到了国内外不同领域研究者们的广泛关注，成为继石墨烯之后二维纳米材料领域一颗冉冉升起的新星。近年来，MXene材料相关的研究论文呈现指数增长，2021年的论文发表数已超2200篇，其研究方向也几乎涵盖了能源、催化、吸附分离、传感探测、电磁屏蔽、生物医用、气体存储等所有前沿领域。
MXene材料年发表论文数量
MXene材料的储能应用
MXene独特的二维层状结构、高的密度、类金属的导电性、可调控的表面端基、优异的机械性能以及赝电容的储能机理，使其成为一种非常有前景的电化学储能材料，在超级电容器、锂/钠/钾离子电池、锂硫电池、水系锌离子电池等诸多先进储能器件中都有独特的应用优势。
MXene作为活性材料应用于超级电容器表现出超高的体积比电容，用于锂/钠/钾离子电池负极具有优异的倍率性能，用于锂硫电池可显著改善其循环性能。此外，MXene易于制备成柔性一体化膜电极，可应用于柔性可穿戴储能器件。特别是，以高导电性的二维MXene纳米片为基底，将金属化合物、合金、导电聚合物等各种高比容量的活性物质负载于MXene 纳米片上，可制备出兼有高容量和优异循环与倍率性能的MXene基复合电极材料。因此，MXene成为当前能源材料领域研究的前沿热点。
MXene用于超级电容器的优势
我国在 MXene 材料领域无论是在研究的广度还是深度方面都处于国际前列。据不完全统计，我国目前开展 MXene 材料相关研究工作的高等院校和科研院所已有 200 家以上， 一些企业已经开始推动 MXene 材料的商业化。《MXene材料：制备、性质与储能应用》的出版，有助于相关的研究学者和青年学子获得系统性、前沿性的专业知识和理论，促进我国在这一前沿领域取得更加丰硕的研究成果。
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内容简介
本书系统地介绍了MXene材料的各种刻蚀和剥离方法，分析了MXene材料的组成、结构及其在电、磁、光、热、机械等方面的基本性质，重点梳理了MXene材料在超级电容器、锂/钠/钾离子电池、锂硫电池和水系锌离子电池等先进电化学储能体系中的应用方式和性能特点，并探讨了MXene材料作为多功能导电黏结剂在电极成型中的应用。本书汇集了MXene材料及其电化学储能领域的最新研究成果，并对其未来发展方向和趋势进行了分析和展望。全书共8章，包括MXene材料概述、MXene材料的制备、MXene材料的结构与性质、MXene在超级电容器中的应用、MXene在碱金属离子电池中的应用、MXene在锂硫电池中的应用、MXene在水系锌离子电池中的应用和MXene多功能导电黏结剂在电极成型中的应用。
本书适合纳米材料、储能技术等相关领域的科研人员和高校师生阅读，也可作为相关研究生课程的教材和参考书籍。
目录速览
序
前言
第1章 MXene材料概述 1
1.1 MXene材料简介 1
1.2 MXene材料的制备方法 4
1.3 MXene材料的性质 6
1.4 MXene材料的应用 8
1.4.1 MXene在储能领域的应用 9
1.4.2 MXene在催化领域的应用 11
1.4.3 MXene在传感领域的应用 12
1.4.4 MXene在电磁屏蔽领域的应用 13
1.4.5 MXene在吸附领域的应用 13
1.4.6 MXene在储氢领域的应用 14
1.4.7 MXene在生物医疗领域的应用 14
1.5 总结与展望 15
参考文献 15
第2章 MXene材料的制备 23
2.1 引言 23
2.2 含氟刻蚀法 25
2.2.1 HF刻蚀法 25
2.2.2 原位形成HF刻蚀法 29
2.2.3 含氟熔融盐刻蚀法 32
2.3 无氟刻蚀法 33
2.3.1 电化学刻蚀法 33
2.3.2 碱刻蚀法 34
2.3.3 路易斯酸熔融盐刻蚀法 35
2.3.4 其他无氟刻蚀法 39
2.4 多片层MXene的插层与剥离 42
2.4.1 有机物插层剥离 42
2.4.2 无机物插层剥离 43
2.4.3 机械剥离 44
2.5 MXene的规模制备 45
2.6 MXene的氧化机制和稳定存储 48
2.6.1 MXene的氧化机制 48
2.6.2 储存条件 49
2.6.3 抗氧化剂 51
2.6.4 其他方法 51
2.7 总结与展望 52
参考文献 53
第3章 MXene材料的结构与性质 60
3.1 结构 60
3.1.1 前驱体的结构 60
3.1.2 MXene的结构 65
3.2 性质 71
3.2.1 电学性质 71
3.2.2 磁学性质 76
3.2.3 机械性质 80
3.2.4 光学性质 83
3.2.5 其他性质 84
3.3 总结与展望 86
参考文献 87
第4章 MXene在超级电容器中的应用 92
4.1 引言 92
4.2 MXene用于超级电容器的优势 93
4.3 MXene作为超级电容器的电极材料 95
4.3.1 不同种类MXene的电容性能 96
4.3.2 结构和形貌调控 99
4.3.3 化学修饰 120
4.4 MXene基复合电极材料 124
4.4.1 MXene/金属化合物复合材料 125
4.4.2 MXene/导电聚合物复合材料 129
4.5 MXene在不同电解液中的电容储能机理 131
4.5.1 MXene在水系电解液中的储能机理 131
4.5.2 MXene在非水电解液中的储能机理 136
4.6 MXene基混合超级电容器 138
4.6.1 MXene基水系混合电容器 139
4.6.2 MXene基非水系混合电容器 141
4.7 MXene基柔性超级电容器 143
4.7.1 基于MXene膜电极的柔性超级电容器 144
4.7.2 基于MXene纤维电极的柔性超级电容器 146
4.8 MXene基微型超级电容器 149
4.8.1 切图法制备MXene基微型超级电容器 149
4.8.2 印刷法制备MXene基微型超级电容器 152
4.9 总结与展望 156
参考文献 158
第5章 MXene在碱金属离子电池中的应用 173
5.1 引言 173
5.2 碱金属离子电池简介 175
5.2.1 锂离子电池 175
5.2.2 钠/钾离子电池 178
5.3 MXene在碱金属离子电池中的应用 179
5.4 MXene直接用作碱金属离子电池负极材料 180
5.4.1 层间距调控 183
5.4.2 层间插入间隔物 186
5.4.3 构筑三维结构 189
5.4.4 其他 196
5.5 MXene基复合材料用于碱金属离子电池 196
5.5.1 MXene基复合材料的构筑方法 197
5.5.2 碱金属离子电池用MXene基复合材料 210
5.6 总结与展望 244
参考文献 245
第6章 MXene在锂硫电池中的应用 256
6.1 引言 256
6.2 锂硫电池简介 257
6.2.1 锂硫电池的工作原理 257
6.2.2 锂硫电池存在的问题 259
6.2.3 锂硫电池的研究进展 260
6.3 MXene在锂硫电池中的应用 266
6.4 MXene基材料用于锂硫电池 267
6.4.1 MXene基硫正极 267
6.4.2 MXene基锂硫电池中间层 285
6.4.3 MXene基金属锂负极 288
6.5 总结与展望 292
参考文献 293
第7章 MXene在水系锌离子电池中的应用 304
7.1 引言 304
7.2 水系锌离子电池简介 305
7.2.1 正极材料 305
7.2.2 负极材料 309
7.2.3 电解液 310
7.3 MXene在水系锌离子电池中的应用优势 311
7.4 MXene基材料用于水系锌离子电池 312
7.4.1 MXene基水系锌离子电池正极 312
7.4.2 MXene用于水系锌离子电池负极 319
7.4.3 MXene用于水系锌离子电池电解液 322
7.5 总结与展望 324
参考文献 325
第8章 MXene多功能导电黏结剂在电极成型中的应用 330
8.1 引言 330
8.2 MXene多功能导电黏结剂在超级电容器中的应用 331
8.3 MXene多功能导电黏结剂在二次电池中的应用 334
8.3.1 锂离子电池硅负极 334
8.3.2 钠/钾离子电池碳负极 336
8.3.3 钠离子电池金属化合物负极 339
8.3.4 锂硫电池硫正极 341
8.4 总结与展望 343
参考文献 344
徐斌教授是 MXene 材料研究领域的国际知名学者，多年来专注于 MXene 材料及其储能应用研究，在 MXene 材料的结构调控、复合电极材料制备与储能性能研究，特别是在原创的 MXene 导电黏结剂用于柔性电极构筑等方面取得一系列创新成果。《MXene 材料：制备、性质与储能应用》一书全面介绍了 MXene 材料的结构、性质和制备方法，特别是详细阐述了 MXene 材料在超级电容器、碱金属离子电池、锂硫电池、水系锌离子电池等各种先进化学电源中的优势、应用方式和性能特点。该书反映了 MXene 材料及其在储能领域应用的最新研究进展， 并对该领域的未来发展方向进行了展望。希望该书能够促进国内相关科研工作者和广大研究生对 MXene 材料的理解，推动我国科技界在 MXene 材料及其储能应用领域取得更加丰硕的成果。
吴锋
北京理工大学教授
中国工程院院士
2022年4月
The author of this book, Professor Bin Xu, is one of the leading researchers in the field of MXenes in China and in the world. He made major contributions to the field of MXenes, especially the use of MXenes in energy storage. He pioneered the use of MXenes as passive elements (binder and conductive additive) in supercapacitors, among many other achievements. A book written by a well-known and respected expert in the field can serve as a trusted source of information about this relatively new but quickly expanding family of materials that has the widest imaginable range of structures, compositions, properties and potential applications.
Yury Gogotsi
Drexel University
作者简介
徐斌，北京化工大学教授、博士生导师，中国超级电容产业联盟副秘书长、材料电化学过程与技术北京市重点实验室副主任、Nano-Micro Letters和Chinese Chemical Letters编委，曾任国家863计划项目首席专家、第二届国际二维过渡金属碳化物(MXenes)学术研讨会大会主席。主要从事先进化学电源、碳基和二维MXene基能源材料的研究与开发。在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等国际重要学术期刊发表论文140余篇；以第一发明人申请国家发明专利40余件，已获授权22件；获省部级科技进步奖二等奖2项和全国优秀博士学位论文提名。
本文编辑：王芳
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