哥伦比亚大学姜锋教授、南京林业大学周晓燕教授与陈卫民副教授的联合科研团队InfoMat:面内孔隙工程—释放MXene储能潜力的关键策略

图1. (a) 面外孔隙构建的多种策略示意图，(b) 面内孔隙构建的两种基本途径。

MXene因其优异的导电性、丰富的表面化学特性及高理论容量，被视为下一代高性能储能电极材料的有力候选者。然而，MXene纳米片层间强烈的范德华力和氢键作用导致其容易发生严重的自堆叠现象，这极大地限制了电解质离子的可及性及其传输动力学，成为制约其实际应用的关键瓶颈。与引入层间间隔物、依附三维骨架或构建多孔网络的策略不同，面内孔隙工程直接在二维纳米片上引入孔隙结构，将本应曲折的离子横向扩散路径转变为垂直贯穿纳米片的短程路径。这种结构设计实现了两个矛盾目标的统一：既能保持高电极材料的体积密度（从而维持高体积能量密度），又能显著加速离子传输动力学（从而提升功率密度）。

该工作系统梳理并对比了当前构建面内孔隙的两类主要技术路线，指出其选择高度依赖于MXene本身的合成方法及表面化学性质：

图2. (a) 通过含氟水溶液刻蚀MAX相制备MXene的示意图，(b) MXene的氧化机理，(c) 通过氧化途径构建面内孔隙的不同策略。

氧化蚀刻路线：该方法主要适用于通过含氟水溶液（如HF、LiF+HCl）蚀刻法制备，表面富含-OH、-F等官能团的MXene（如Ti₃C₂T_x）。利用MXene易氧化的特性，选用温和的氧化方式在纳米片表面原位生成TiO₂，随后通过HF洗涤将其去除，从而实现面内孔隙的构筑。尽管这种方法能够高效地构建孔结构（甚至穿孔），但不可避免地会生成TiO₂副产物，通常需要后续的HF处理。此外，氧化过程依赖于MXene固有的缺陷，使得该过程的可控性面临一定挑战。

图3. (a) 使用盐混合物从MAX相合成多孔MXene的示意图，(b) 不同盐混合物比例制备的多孔MXene透射电镜图像，(c) 通过ZnCl₂气相刻蚀Ti₂AlC制备富空位Ti2CClx的示意图，(d) Ti₂CCl_x和Zn-Ti₂CCl_x的实验与模拟HAADF-STEM图像对比。

路易斯酸熔盐蚀刻路线：该路线通过Lewis酸性熔盐（如ZnCl₂, CuCl₂）直接蚀刻MAX相，可一步合成出表面主要为-Cl封端的MXene。此类MXene疏水性强，热力学稳定性高，不易氧化。然而，在高温蚀刻过程中，MAX相中的A层元素与熔盐反应生成挥发性副产物，其逸出过程结合MXene固有的结构缺陷，可在片层上原位产生孔隙或金属空位。例如，使用ZnCl2/NaCl共晶盐可在蚀刻过程中形成临时盐颗粒支撑孔壁，防止冷却时孔道塌陷。该方法避免了使用含氟水溶液，简化了步骤，并增强了产物的稳定性。然而，强疏水性和表面稳定性使得后续剥离成分散液或应用于水系电解质体系面临一定困难。

面内孔隙的引入显著提升了MXene电极的性能。孔隙不仅增加了比表面积，暴露了更多的活性位点，更重要的是为离子提供了快速传输的“高速公路”。同时，刻蚀过程在孔周围形成的局部无序结构和配位不饱和位点，为离子吸附/脱附提供了额外空间，从而在保持高体积容量的同时，大幅提升了倍率性能。面内孔隙工程成功协调了高密度与高离子可及性之间的矛盾，是释放MXene材料储能潜力的关键策略之一。随着孔隙结构精准调控、原位制备技术的发展、构效关系的深入分析以及多级结构协同设计等关键科学与技术问题的突破，具有定制化多孔结构的MXene材料有望推动下一代高能量、高功率、长寿命储能器件的实用化进程。

Engineering In-Plane Porosity in MXenes for Energy Storage: Correlating Synthesis Strategies with Pore Structure Control

Citation: InfoMat. 2026, e70136

DOI：https://doi.org/10.1002/inf2.70136

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