南京林业大学＂微爆破＂重构MXene膜:电导率飙升549%,比电容突破486 F/g

2026年4月22日，南京林业大学的杨培副教授和周晓燕教授等人在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊发表题为"Carbon dot enhanced micro-explosion for ion-accessible and highly conductive MXene films via fast joule heating"的研究论文。该研究提出了一种碳点增强的快速焦耳热策略，在秒级时间内（90 s）通过静电组装将超小碳点（CDs）锚定在Ti₃C₂Tₓ纳米片表面，利用快速升温过程中气体释放触发的"微爆炸效应"构建局部大孔结构，同时碳点原位碳化形成富碳界面层抑制MXene氧化。最佳条件下，材料比电容达486 F/g（0.1 A/g），电导率提升549%，倍率性能保持75.4%（10 A/g），组装的超级电容器循环5000次后容量保持率达93.2%。

【研究背景】

1. MXene薄膜面临"导电性-离子传输"的固有矛盾

Ti₃C₂Tₓ MXene薄膜经热处理后导电性显著提升，但层间堆叠加剧导致离子传输受阻，且热处理易诱发氧化降解，严重制约其电化学性能发挥。

2. 热处理优化策略存在明显瓶颈

传统热退火虽能去除表面官能团、提升导电性，但移除层间水和含氧官能团后层间距缩小，纳米片重新密堆积，反而阻碍了电解液离子扩散和表面活性位点利用。

3. 碳点多功能化应用潜力亟待挖掘

碳点（CDs）因其超小尺寸、丰富的表面官能团和优异的结构可调性，在MXene基电极中多作为插层剂或电子给体，其热致气体演化行为用于结构调控的全新功能尚待开发。

4. 快速焦耳热技术为精确结构调控提供新思路

焦耳加热可实现秒级快速升温，在受限层间空间内诱导瞬态气体积累与压力构建，为突破传统热处理中导电性与离子可及性的"跷跷板"效应提供了全新技术路径。

【研究方法】

1.  静电自组装与快速焦耳热协同策略

利用带正电的碳点（+31.3 mV）与带负电的Ti₃C₂Tₓ纳米片（-30.9 mV）之间的强静电引力，实现碳点在MXene表面的均匀锚定；随后通过焦耳加热装置在氩气氛围下以秒级升温至350°C并保温90 s，完成快速热致结构重构。

图1：碳点在秒级焦耳加热中对MXene薄膜的双重调控作用示意图

2. 多尺度结构表征与气体演化分析

综合运用XRD、XPS、Raman、FE-SEM、TEM、HRTEM及压汞法等多种表征技术，系统分析材料的晶体结构、孔隙特征和微观形貌；通过TG-FTIR联用技术实时监测热处理过程中气相产物的种类与释放规律。

3. 电化学性能系统评估

在三电极体系（3 M H₂SO₄电解液）中测试循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）和电化学阻抗（EIS），并组装对称两电极超级电容器评估实际器件的倍率性能和长循环稳定性。

【研究结果】

1. "微爆炸效应"构建独特致密-大孔共存结构

N₂吸附-脱附等温线和压汞测试表明，焦耳热处理后CDs/Ti₃C₂Tₓ复合膜的总孔体积从0.6 mL/g显著增至1.2 mL/g，在10–100 μm范围出现明显的大孔分布峰。TG-FTIR分析证实，碳点在350°C附近大量释放NH₃和CH₄等气体，与MXene自身释放的H₂O、CO₂协同作用，在受限层间空间形成局部高压，触发"微爆炸"效应，实现整体致密化伴随局部大孔形成的独特结构。

2. 碳点有效抑制MXene热氧化

TG曲线显示，纯Ti₃C₂Tₓ在热处理中出现异常增重（氧化所致），而CDs/Ti₃C₂Tₓ复合膜则呈现正常失重行为，证明碳点显著抑制了MXene氧化。XPS分析进一步证实，热处理后的CDs/Ti₃C₂Tₓ中TiO₂相关峰未明显增强。HRTEM观察到碳点在缺陷位点原位石墨化形成0.34 nm层间距的富碳保护层，有效钝化了活性位点、阻断了氧扩散路径。

图3：碳点通过形成碳保护层抑制MXene在热处理中的氧化

3. 电化学性能全面提升

最优条件下（2% CDs、350°C、90 s），CDs/Ti₃C₂Tₓ复合膜在三电极体系中比电容达486 F/g（0.1 A/g），较纯Ti₃C₂Tₓ提升48.7%；电导率从纯Ti₃C₂Tₓ的约340 S/cm提升至2200 S/cm，增幅高达549%；倍率性能优异，10 A/g下容量保持率达75.4%。EIS显示电荷转移电阻仅0.94 Ω，表明电子和离子传输均被显著优化。

图4：热处理后CDs/MXene薄膜的电容、倍率、电导率及阻抗性能

4. 对称超级电容器器件表现优异

以最优CDs/Ti₃C₂Tₓ复合膜组装的对称超级电容器，在0.1 A/g时比电容达286 F/g，电流密度增大20倍后容量保持91.3%；经5000次循环后容量保持率达93.2%，展现出良好的实际应用潜力。

【展望】

1. 拓宽气体演化纳米碳材料体系

除碳点外，可进一步探索氧化石墨烯、碳纳米管等具有热致气体释放特性的纳米碳物种与MXene的协同作用，开发更多高效的"微爆炸"结构调控体系。

2. 拓展至其他MXene体系及储能应用

该策略具有良好的通用性，可推广至Ti₂CTₓ、V₂CTₓ等其他MXene体系，并有望应用于锂离子电池、钠离子电池和混合电容器等更广泛的电化学储能体系。

3. 深化界面调控与机理研究

未来可通过原位表征技术实时监测焦耳加热过程中的结构演变，深入揭示碳点原位石墨化保护层的形成机制及其与MXene界面相互作用的本征规律。

4. 推动规模化制备与柔性器件集成

焦耳加热过程简单高效、能耗低，非常适合大规模生产。下一步可将此技术应用于柔性可穿戴储能器件的电极制造，推动MXene基薄膜电极的实际工程应用。