近期，未来科学国际合作联合实验室毫米微波技术与应用团队在ACS Nano上发表题为“Microbe-Assisted Assembly ofTi₃C₂T_xMXene on Fungi-Derived Nanoribbon Heterostructures for Ultrastable Sodium and Potassium Ion Storage”的研究工作。该研究首次利用微生物真菌作为MXene材料的组装客体，成功地制备了2D/1D异质结构的复合电极材料，为2D MXene材料的界面组装技术探索提供了新的思路。

近年来，碱金属离子电池得到了广泛的研究关注，其中钠/钾离子电池由于其具有与锂相似的标准电位，以及地壳中丰富的储量与低廉的成本，被认为是大规模储能的理想选择。然而，Na⁺/K⁺更大的离子半径所导致的在电化学过程中比较迟缓的扩散动力学与严重的体积膨胀，延缓了钠/钾离子电池的商业化进程，因此，探索稳定高性能的电极材料成为研究者们的重中之重。在不同维度的电极材料体系当中，二维（2D）过渡金属碳化物（氮化物）MXene得益于其独特的物理化学性质，如超高的导电性、丰富的表面化学等，在电化学储能领域大放异彩。然而，与其他2D材料类似，在长期的循环充放电过程中会发生自堆叠现象，进而改变离子扩散路径，降低电解液离子可及性，进一步导致容量的快速衰减。将剥离后的少层MXene纳米片与碳基材料复合形成异质结构电极是一类解决上述问题的有效策略。

图一：MXene基微生物辅助组装策略示意图

图二：Ti3C2TxMXene、黑曲霉真菌与MXene@NCRib复合结构的SEM图像

图三：MXene@NCRib复合用于钠/钾离子电池负极的循环稳定性与吸附模型

实验与表征结果表明，生物真菌与MXene之间通过形成氢键实现自组装。生物真菌经过高温裂解转化为原位氮掺杂的碳纳米纤维，与此同时，锚定在纳米纤维表面的少层/单层2D MXene纳米片的均匀分布进一步形成多孔的表面结构，有利于充分利用2D MXene和1D 导电纤维的异质结构特性。得益于二者之间的协同效应，多孔2D MXene的结构和1D氮掺杂碳纳米网络中快速的电子转移保证了表面控制为主导的储能行为，与此同时能够极大地增强异质结构表面对钠/钾离子的电化学吸附力。该异质结多孔的表面与扩展的离子扩散通道有利于促进更大离子半径的Na⁺/K⁺的快速稳定扩散，避免了2D MXene的重堆叠问题，在保持2D材料钠/钾离子存储稳定性的同时，进一步提升电化学储能容量。

该工作是由吉林大学未来科学国际合作联合实验室毫米微波技术与应用团队韩炜教授、澳大利亚昆士兰科技大学孙子其教授与中科院北京半导体所王丽丽研究员共同合作下完成，得到了国家自然科学基金和澳大利亚研究理事会的支持。

相关的研究成果近期发表在ACS Nano上，第一作者为吉林大学博士研究生曹峻鸣，通讯作者为吉林大学韩炜教授、澳大利亚昆士兰科技大学孙子其教授与中科院北京半导体所王丽丽研究员。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10491