南京林业大学,新发Journal of Colloid and Interface Science!

随着便携电子设备和电动汽车的快速发展，市场对高功率、长寿命且柔性化的储能器件需求日益迫切。二维层状材料MXene因其优异的金属级导电性和丰富的表面化学活性，被认为是下一代高性能超级电容器的理想电极材料。然而，在实际应用中，MXene薄膜电极面临一个长期未解的“两难困境”：为了提高导电性，通常需要热处理来减少表面官能团、优化层间接触；但这种处理会进一步压缩本就紧密堆积的层状结构，极大地阻碍电解液离子的扩散通道。更棘手的是，热处理即便在惰性气氛下也容易诱发MXene局部氧化，导致活性位点失活和性能衰减。如何在提升导电性的同时，依然保证离子能“顺畅通行”，并有效抑制氧化副反应，是该领域亟待突破的关键科学问题。

针对上述矛盾，南京林业大学周晓燕教授、杨培团队提出一种将超小尺寸碳点与快速焦耳加热相结合的协同策略。研究人员利用静电作用将带正电的碳点牢固锚定在带负电的MXene纳米片表面，随后在数秒内完成高温脉冲加热。在这一瞬态过程中，碳点和MXene自身官能团迅速分解释放气体，在狭小的层间空间内引发局域“微爆炸”，一方面在整体致密化的薄膜中“炸”出大量微米级孔道作为离子快速通道，另一方面碳点原位碳化形成碳保护层，有效钝化MXene的易氧化缺陷位点。实验表明，经优化处理的复合薄膜比电容提升约49%，导电率提高近5.5倍，且在100倍电流密度变化下仍保持75%以上的容量。该工作展示了碳点作为“活性热调制器”的独特价值，为设计兼具高密度与高离子可及性的薄膜电极提供了新思路。

图1以示意图形式概括了碳点（CDs）在焦耳热处理中的双重协同机制。

图2通过气体吸附与热重-红外联用技术揭示了微爆效应的驱动力与结构后果。

图3系统论证了碳点对MXene热致氧化的抑制机制。

图4在三电极体系下量化了结构优化带来的性能增益。

图5评估了优化电极组装成对称超级电容器的实际器件表现。

针对MXene薄膜热处理中“导电性提升－离子传输受限－氧化失活”三者相互制约的固有瓶颈，本工作提出并验证了一种碳点协同快速焦耳加热的微爆炸调控策略。核心发现表明：带相反电荷的碳点可通过静电自组装优先锚定于MXene纳米片的缺陷位点，在秒级焦耳加热过程中，碳点与MXene表面官能团的快速分解释放气体，诱发局域限域微爆炸，形成整体致密化伴随局部大孔化的独特结构——致密区域保障电子高速传导，大孔区域作为离子快速通道，同时碳点原位碳化生成碳富集界面层，有效钝化氧化敏感位点。该协同机制使复合薄膜的比电容提升49%、电导率提高549%，并兼具优异的倍率性能与循环稳定性。这一发现不仅突破了传统热处理中“此消彼长”的权衡困境，更重新定义了碳点的角色——从惰性填料转变为主动热调制器，为构建高密度、高离子可及的薄膜电极提供了全新范式。未来，该策略有望拓展至其他易堆叠二维材料体系，并结合原位气体调控与微结构工程，进一步推动高能量密度、高功率柔性储能器件的发展。