MXenes膠體氧化的調控策略及其對超級電容器性能的影響

郭鐵柱，周 迪，張傳芳

（1瑞士聯(lián)邦理工學院，聯(lián)邦材料科學與技術研究所，瑞士杜本多夫CH-8600；2西安交通大學電子科學與工程學院，陜西西安 710049）

電化學儲能材料和技術的發(fā)展一直是儲能領域研究人員關注的焦點。超級電容器作為能量存儲器件因具有較快的充放電速率、較高的功率密度和長的循環(huán)壽命等特點被廣泛研究[1-2]?，F(xiàn)有商業(yè)化的超級電容器主要以多孔碳材料為工作電極，其較低的能量密度在一定程度上限制了其應用范圍。

MXenes 是一種二維過渡金屬碳化物、氮化物、碳氮化物材料，通式用Mn+1XnTx表示，通過刻蝕MAX相的A元素而成；M代表過渡金屬或過渡金屬固溶體，A 代表Al、Si、Ga 等，X 代表碳或/和氮，Tx代表表面官能團(如―F、―OH、―O、―Cl等),n=1～4[3-8]。因具有高電導率、高電化學活性和親水性等特點被廣泛應用在超級電容器[9]、海水淡化[10]、電催化[11]、傳感器[12]、電磁屏蔽[13]和生物工程[14]等領域。Ti3C2TxMXene作為超級電容器的電極材料具有高體積比電容量(1500 F/cm3)和高質量比電容量(450 F/g)[15]，是一種非常有前景的電極材料。不同的制備方法和工藝條件對MXenes的橫向尺寸、形貌、表面官能團、電導率等會產(chǎn)生較大的影響，進一步影響MXenes 的最佳應用領域。例如，小尺寸的MXenes具有更多的邊緣位點，適用于催化、生物工程等領域[11,16]；大尺寸、缺陷少的MXenes易制備成薄膜，具有更高的電導率，更適用于電磁屏蔽[17]、能量儲存[18]等領域；富含端基氧的MXenes(相比－F 端基、－OH 端基)，由于端基氧可以作為質子氫的吸附活性位點，在酸性電解液基超級電容器中具有更高的電容量[19]；富含端羥基的MXenes(相比―F端基、―O端基)，具有更低的功函數(shù)[20]，更適用于電催化合成氨領域等[21]。

MXenes 材料推動了諸多領域的研究發(fā)展，但MXenes無論是以粉體、膠體或者薄膜等形式被應用時，始終面臨著對環(huán)境敏感、易氧化降解等嚴峻挑戰(zhàn)[22-23]。由于MXenes 通常在酸性溶液中刻蝕而成，納米片表面被―F、―OH、―O等極性端基接枝，使MXenes 納米片具有較強的親水性和電負性，有利于在水相中分散，形成相對穩(wěn)定的分散液。盡管在溶劑水中剝離MXenes具有成本低、安全、可形成高濃度穩(wěn)定的分散液等優(yōu)勢，然而在溶劑水和氧氣的存在下MXenes 極易發(fā)生氧化降解，生成TiO2、無定形炭、CH4、CO 和CO2等氣體[24]，這極大降低了MXenes 材料的使用壽命及應用性能。通常經(jīng)過HF(或原位生成的HF)刻蝕的Ti3C2TxMXene，其室溫環(huán)境下保存的水系分散液穩(wěn)定性不超過2周[25-28]。MXenes的穩(wěn)定性主要受化學成分、刻蝕工藝和后處理等因素影響，其氧化過程可以被分成3 個過程(以Ti3C2Tx為例)：①Ti3C2Tx邊緣或缺陷處首先發(fā)生氧化生成TiO2，逐步生成樹枝狀裂紋；②邊緣氧化的TiO2向Ti3C2Tx納米片面內擴散，逐步被氧化成碎片或類纖維狀，同時生成不定形的碳層；③Ti3C2Tx納米片被完全氧化成不定形的TiO2，碳層被周圍的TiO2生成的―OH 自由基氧化成CH4、CO、CO2、HF 等產(chǎn)物。然而高度氧化的Ti3C2TxMXene 導致超級電容器整體性能下降；產(chǎn)物TiO2對電容量幾乎沒有貢獻[29]。因此，延長MXenes材料的使用壽命、防止過度氧化和提高穩(wěn)定性是未來發(fā)展MXenes 應用的一個重要研究課題。

1 MXenes 氧化對超級電容器性能的影響

當前自上而下的化學蝕刻方法是制備MXenes的主要途徑，通過刻蝕MAX相制備MXenes的方法主要可以分為以下5 種：①HF 溶液刻蝕；②原位生成HF(LiF/HCl)；③包含HF 的混合酸(HF/HCl)；④熔融鹽法；⑤堿/溶劑熱處理法。典型的刻蝕方法是采用HF 或LiF/HCl 溶液刻蝕MAX 相，制備的MXenes 表面通常含有―F、―OH、―O 等極性官能團；當分散在介質水中，熱力學亞穩(wěn)態(tài)的MXenes納米片很容易被溶解的氧氣和水的相互作用氧化降解[26]，導致MXenes 的本征特性降低或缺失，如電導率降低，氧化還原反應活性位點缺失等。而Ti3C2TxMXenes納米片的微量氧化不會導致2D 層狀結構的破壞，生成微量的TiO2和無定形炭促進了MXenes層間距的增大，同時在面內缺陷處形成微小孔洞結構；這有利于電解液離子的垂直傳輸，對電極電容量影響較小，但可提高超級電容器的倍率性能[30]。當MXenes 過度氧化生成較多的金屬氧化物，MXenes含量降低，電化學性能驟然下降。例如，Tang等[30]通過在過電位下控制陽極氧化次數(shù)和氧化電位來調控Ti3C2Tx薄膜的氧化程度，表明過度的氧化導致Ti3C2Tx的電容量、能量密度和功率密度均下降，如圖1(a)～(c)所示。因此MXenes的氧化程度必須控制在微量范圍內。然而，Ti3C2Tx水系分散液在室溫-空氣下存儲2天(標記：RT-2)即可發(fā)生部分氧化，導致電化學性能明顯下降[25]，如圖1(d)～(f)所示。相比純Ti3C2Tx[圖1(g)，黑色實線]，經(jīng)過抗壞血酸鈉修飾的Ti3C2Tx(SA-Ti3C2Tx)，納米片層間間距增大，暴露更多的表面活性位點，微型超級電容器電容量明顯增加[圖1(g)，紅色實線][31]。此外，微型超級電容器在空氣中存放25 d后，純Ti3C2Tx基超級電容器出現(xiàn)明顯的電壓降[圖1(g)，黑色虛線]，其電容量、電導率及循環(huán)穩(wěn)定性均明顯下降；而SA-Ti3C2Tx基超級電容器電容量[圖1(g)，紅色虛線]、電導率[圖1(h)]及循環(huán)穩(wěn)定性[圖1(i)]沒有明顯變化[31]。這表明抑制MXenes 電極的過度氧化可有效提高超級電容器的穩(wěn)定性，降低器件性能衰減的速率。

圖1 (a)Ti3C2Tx的電容量在0.1 V過電位下隨氧化次數(shù)的變化曲線[30]；(b)Ti3C2Tx和在0.8 V下氧化后Ti3C2Tx的CV曲線圖[30]；(c)不同陽極電位下氧化Ti3C2Tx的能量密度-功率密度曲線變化趨勢[30]；新制Ti3C2Tx、-20 ℃下存儲650 d和室溫存儲2 d的Ti3C2Tx在不同掃描速率下的比電容量(d)、阻抗譜(e)、循環(huán)穩(wěn)定性(f)[25]；(g)Ti3C2Tx(黑色)和SA-Ti3C2Tx(紅色)基超級電容器在電流密度為1 A/g下的恒流充放電曲線，虛線代表超級電容器在空氣中存放25 d后[31]；(h)Ti3C2Tx和SA-Ti3C2Tx電極在環(huán)境溫度下電導率隨時間的變化[31]；(i)Ti3C2Tx和SA-Ti3C2Tx基超級電容器在電流密度為1 A/g下的循環(huán)穩(wěn)定性[31]Fig.1 (a)Capacitance of Ti3C2Tx changes with number of oxidation at 0.1 V overpotential[30];(b)CV curves of Ti3C2Tx and after oxidation at 0.8 V[30];(c)Ragone plots of gravimetric energy and power densities for Ti3C2Tx after oxidation at different anodic potentials[30];Specific capacitance(d),electrochemical impedance spectroscopy(e),cycling stability(f)of fresh Ti3C2Tx,frozen-650 and RT-2 electrodes[25];(g)Galvanostatic charge-discharge curves of Ti3C2Tx(black)and SA-Ti3C2Tx(red)based supercapacitors at current density of 1 A/g,dashed lines represent supercapacitors after storage for 25 days in air[31];(h)The conductivity of Ti3C2Tx and SA-Ti3C2Tx electrodes varies with time at ambient temperature[31];(i)Cyclic stability of Ti3C2Tx and SA-Ti3C2Tx based supercapacitors at current density 1 A/g[31]

2 MXenes穩(wěn)定性的調控策略

2.1 原料MAX

Ti3AlC2作為Ti3C2Tx的前驅體，可以通過不同碳源(TiC、石墨、Al4C3、炭黑等)和鈦源(Ti、TiH2、TiO2等)合成，其中Ti3AlC2的合成工藝參數(shù)、前驅體種類等差異直接影響剝離產(chǎn)物Ti3C2Tx的微結構、晶粒大小、化學成分以及應用性能。例如，Ti3C2Tx材料的橫向尺寸主要取決于前驅體Ti3AlC2的粒徑(內在因素)；Ti3AlC2的純度將決定Ti3AlC2與雜質Ti2AlC、TiAl 或TiAl2等成分的比例及含量，而Ti2CTx的氧化穩(wěn)定性不及Ti3C2Tx納米片[32]，這將進一步影響Ti3C2Tx的純度及穩(wěn)定性[33]。因此，制備高純MAX 相有利于制備高質量的MXenes。例如，相比TiC和炭黑作為合成Ti3AlC2相的碳源，由石墨碳源制備的Ti3AlC2具有更高的純度(質量分數(shù)95%)，進一步剝離的Ti3C2Tx水溶液穩(wěn)定性更高，Ti3C2Tx薄膜具有更大的橫向尺寸、更高的電導率和更大堆積密度[33]。作為自支撐膜電極材料，電極密度增大有利于實現(xiàn)超級電容器高體積能量密度。

除了合成高純度的MAX 原料，通過添加過量的前驅體組分Al來優(yōu)化合成Ti3AlC2中Ti/C的配比，使其更接近3∶2，用于刻蝕-剝離高質量的Ti3C2Tx，其水系分散液在環(huán)境條件下可以穩(wěn)定保存10 個月以上沒有明顯氧化[34]。這一發(fā)現(xiàn)極大延長了Ti3C2Tx水系分散液的儲存壽命。經(jīng)新制分散液過濾制備的自支撐導電薄膜的電導率高達20000 S/cm。這歸因于在合成過程中，過量的金屬Al 熔融形成液相，增強了反應物的擴散，提高了Ti3AlC2相的結晶度以及純度，為進一步刻蝕-剝離制備低缺陷濃度的MXenes提供了保障。

2.2 合成工藝

當HF作為刻蝕劑選擇性刻蝕MAX相的Al層制備Ti3C2Tx納米片的過程中，部分相鄰的Ti原子也不可避免會被刻蝕，形成Ti空位(Tiv)或空位團簇，且HF 濃度越大，缺陷濃度越大[35-36][圖2(a)]，Ti3C2Tx納米片越不穩(wěn)定，越容易從缺陷處發(fā)生氧化降解。當作為超級電容器電極時，表面缺陷可能成為電解液離子嵌入/脫出電極材料的運輸通道，有利于提高電極材料的快速充放電性能；但也可能作為活性位點催化電解液的分解，降低工作電壓窗口[35]。另外，由于較多的缺陷濃度往往導致電導率不超過10000 S/cm[20]，不利于實現(xiàn)高能量密度超級電容器的發(fā)展。同樣，采用LiF/HCl作為MAX相的刻蝕劑時，適當增加LiF 的濃度，有利于Li+對MXenes 的插層，促進多層MXenes剝離成單層或者少層納米片。然而，隨著LiF 添加量的增加，空位缺陷濃度也隨之增多[37][圖2(b)]；另外，Ti3C2Tx納米片空位缺陷濃度進一步影響表面Ti 原子的電子結構以及Tin+(n<4)離子化合價。用于超級電容器工作電極，Ti3C2Tx已經(jīng)被證實在酸性條件下是一種具有高電容量的贗電容電極材料[19,38]。電容量的貢獻可以分為表面雙電層電容、表面贗電容和插層贗電容；而表面贗電容與Tin+的化合價密切相關。例如，氧化生成的Ti4+不能發(fā)生可逆的氧化還原反應，不利于電極材料高電容量的實現(xiàn)。由于Ti3C2Tx氧化優(yōu)先發(fā)生在Ti 空位、孔洞、邊緣或者褶皺處并生成TiO2(Ti4+)，因此，從刻蝕工藝角度出發(fā)制備缺陷濃度少的Ti3C2Tx納米片是改善材料氧化穩(wěn)定性、提高電極材料電容量，延長Ti3C2Tx膠體儲存壽命的一種思路。

圖2 (a)～(c)不同質量分數(shù)HF刻蝕制備Ti3C2Tx的SEM圖[35]，(a)2.7%，(b)5.3%，(c)7%，(d)缺陷濃度與HF濃度的關系[35]；(e)～(h)不同濃度LiF刻蝕制備Ti3C2Tx的SEM圖[37]，(e)LiF-0.3 g，(f)LiF-1 g，(g)LiF-1.2 g，(h)LiF-1.5 gFig.2 (a)—(c)Ti3C2Tx flakes prepared using etchants with different HF concentrations[35].(a)2.7%,(b)5.3%,(c)7%,(d)Relationship between defect and HF concentration[35];(e)—(h)Ti3C2Tx flakes prepared using etchants with different LiF concentrations[37],(e)LiF-0.3 g,(f)LiF-1 g,(g)LiF-1.2 g,(h)LiF-1.5 g

根據(jù)MXenes不同的制備工藝，有時需要經(jīng)過超聲處理并離心移除多層MXenes，而超聲功率越大、時間越長，MXenes納米片尺寸越小，缺陷越多[39]。針對超級電容器領域，MXenes 自支撐膜可以直接作為工作電極，不需要額外的導電劑和黏結劑，這對于電極及整個器件來說，有利于質量比電容量和能量密度的提高。而尺寸大、缺陷少的MXenes納米片制備的導電薄膜具有機械強度高、電導率高、環(huán)境穩(wěn)定性好等優(yōu)點[39]。例如，采用最小強度剝離法(minimally intensive layer delamination，MILD)制備的Ti3C2Tx納米片(主要通過控制LiF 和MAX的摩爾比≥7.5)，不需要超聲或其他機械振蕩，僅通過手搖即可得到剝離的Ti3C2Tx分散液，納米片橫向尺寸約為5 μm，電導率約5000 S/cm[18]。因此，選擇相對偏低的HF 或LiF 濃度是制備低缺陷濃度、高質量MXenes的重要因素，這不僅可以調控表面缺陷濃度、Tin+化合價，而且能有效緩解MXenes的氧化穩(wěn)定性，優(yōu)化超級電容器的性能。

另外，MXenes 端基官能團對MXenes 的穩(wěn)定性同樣有一定程度的影響。相比HF 刻蝕法，采用I2溶液刻蝕Ti3AlC2相制備無氟Ti3C2Tx[圖3(a)]，具有更好的環(huán)境穩(wěn)定性[40]。同樣，四甲基氫氧化銨作為刻蝕劑，制備的無氟Ti3C2Tx水系分散液在環(huán)境條件下儲存4 個月無明顯氧化現(xiàn)象[42]。不僅如此，相比含氟端基MXenes，含氧端基的MXenes 可以作為活性位點吸附H+，促進H+插層參與氧化還原反應的發(fā)生，提高酸性電解液基超級電容器的能量密度。不管采用哪種刻蝕劑制備多層或者少層MXenes，相同的是，經(jīng)剝離的單層或者少層MXenes比多層MXenes能更快地發(fā)生氧化降解[41]，如圖3(b)所示。另外，M2XTx比M3X2Tx氧化穩(wěn)定性更差，例如Ti2CTx比Ti3C2Tx更容易發(fā)生氧化降解[32]。

圖3 (a)I2刻蝕Ti3AlC2制備Ti3C2Tx納米片[40]；(b)制備多層Ti3C2Tx和少層Ti3C2Tx[41]Fig.3 (a)Iodine-assisted etching and delamination of Ti3AlC2 towards Ti3C2Tx[40];(b)Synthetic illustration of multilayered Ti3C2Tx and delaminated Ti3C2Tx[41]

2.3 表面修飾

MXenes 氧化反應的發(fā)生主要起始于納米片邊緣(包括缺陷孔洞邊緣)[26]，因此對MXenes 邊緣進行物理或者化學修飾遮蔽活性位點是抑制MXenes氧化的有效策略?；赥i3C2TxMXene 表面帶負電荷、邊緣帶正電荷，采用聚磷酸鹽、聚硅酸鹽、聚硼酸鹽陰離子和抗壞血酸陰離子對邊緣進行吸附遮蔽可以有效抑制Ti3C2Tx的氧化[43-44]，如圖4(a)所示。進一步研究發(fā)現(xiàn)，相比聚磷酸陰離子和抗壞血酸陰離子，檸檬酸抗氧化劑可以實現(xiàn)Ti3C2Tx和Ti2CTx膜在酸性環(huán)境下具有更強的存儲穩(wěn)定性(>5 個月)[32]。另外，硅烷偶聯(lián)劑(3-氨丙基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷等)通過水解與MXenes表面的－OH相互作用實現(xiàn)功能化，不僅可以延長材料的存儲壽命，提高氧化穩(wěn)定性，而且可以根據(jù)超級電容器電解液的極性，調控MXenes 電極材料的親疏水性[46]。其他修飾法如表面活性劑(溴化十六烷基三甲銨)[45]、重氮化反應[45,47]修飾的Ti3C2Tx也被證明能夠有效提高MXenes的穩(wěn)定性，如圖4(b)所示。

圖4 (a)聚陰離子遮蔽邊緣位點[43]；(b)MXene表面修飾[45]Fig.4 (a)Edge capping of MXene sheets by polyanions[43];(b)Schematics of organic molecules protection on MXene surface[45]

2.4 儲存條件

MXenes 的氧化動力學受溫度、分散液濃度、pH 和氧氣含量等諸多因素影響。例如，本文作者[26]提出Ti3C2Tx水分散液存儲在氬氣-低溫(<5 ℃)條件下可以有效抑制Ti3C2Tx的氧化、延長存儲時間，其中存儲在氬氣-環(huán)境溫度下是比空氣-低溫下(<5 ℃)更有效的方法[26]。然而由于溶劑水的相互作用，氬氣-低溫條件下保存依然會發(fā)生緩慢的氧化，這是在水分散液中不可避免的，其水解反應可以用式(1)表示[26]

為了進一步降低氧化反應速率，延長Ti3C2Tx分散液的穩(wěn)定性，在-20 ℃下將液體介質水轉為固體介質冰，Ti3C2Tx可以有效保存約2 年[25]。Huang等[27]進一步證明了當溶劑水與氧氣同時存在時，MXenes 的氧化速率較快。當儲存條件為水-氬氣(水單獨存在)或者有機溶劑-氧氣環(huán)境下(氧氣單獨存在)，MXenes的氧化速率均有所下降；并且提出在MXenes溶液的氧化降解過程中，水是比氧氣更重要的影響因素[圖5(a)]，這可能是由于氧氣在溶劑中的溶解度本身較低的緣故，另一方面可能是溶解在水中的氧氣比有機溶劑中的氧氣更活躍所致[48]。因此，在MXenes 溶液存儲過程中，阻止MXenes與水的接觸是比用惰性氣氛保護更有效的方法。這也解釋了盡管氧氣在有機溶劑中的溶解度比在水中更大(表1)[27,49]，而MXenes在有機溶劑中比水中的氧化穩(wěn)定性更優(yōu)的現(xiàn)象。最近，Chae等[50]也證明了MXenes 氧化主要受溫度和水分子的影響。

表1 氧氣在不同溶劑中的溶解度(298.2 K，101.3 kPa)[27,49]Table 1 Solubility of oxygen in different solvents at 298.2 K and 101.3 kPa[27,49]

圖5 (a)Ti3C2Tx在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性[27]；(b)MXene在不同pH下的氧化穩(wěn)定性[32]；(c)Ti3C2Tx在不同pH下的穩(wěn)定性[24]Fig.5 (a)Visual appearance of Ti3C2Tx colloidal solutions in different environments over time[27];(b)Schematic of MXene nanosheets oxidation in aqueous dispersions with acidic and alkaline pH[32];(c)Visual appearance of Ti3C2Tx colloidal solution in different pH over time[24]

根據(jù)相似相容原理，Ti3C2Tx表面極性官能團與極性溶劑相互作用可以促進Ti3C2Tx膠體的穩(wěn)定分散，因此極性溶劑是比非極性溶劑更有效的穩(wěn)定分散劑，例如，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，碳酸丙烯酯(PC)，N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，二甲基亞砜(DMSO)和乙醇等極性溶劑[51]，其中經(jīng)四丁基氫氧化銨(TBAOH)表面修飾的Ti3C2Tx的粉末在DMF、DMAc、PC 等有機溶劑中可實現(xiàn)超過70 mg/mL的高濃度分散液[52]。此外，可以在高速離心輔助下，通過溶劑交換法制備MXenes有機分散液，但需要多次溶劑交換以除去溶劑水[48]。

另外，將Ti3C2Tx溶液抽濾成膜，室溫-真空-避光(紫外線輻射也可以加速Ti3C2Tx的氧化[28])條件下存儲，可有效延長Ti3C2Tx的壽命，當需要膠體時，Ti3C2Tx膜可以通過手搖或者超聲處理將其重新分散到適當?shù)娜軇┲?。根?jù)實驗經(jīng)驗，Ti3C2Tx自支撐膜作為水系超級電容器(酸性或堿性電解液)工作電極時，在10000次循環(huán)充放電后，庫侖效率和容量保持率幾乎不變[18,53]，這表明Ti3C2Tx膜電極具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性，短時間內不會發(fā)生明顯的氧化降解。

有研究表明MXenes的端羥基與其分散液的氧化過程有著密切的關系[24,32]，Ti3C2Tx分散液(0.3 mg/mL)在酸性條件下的氧化穩(wěn)定性明顯優(yōu)于在堿性環(huán)境下[32][圖5(b)]，其中OH?與Ti3C2Tx納米片末端羥基－OH發(fā)生反應，脫除質子H+生成端基氧促進了Ti3C2Tx的氧化過程，可以表示為式(2)[32]

另一方面，可能由于帶正電荷的邊緣位點吸附OH-并發(fā)生相互作用促進了氧化降解。然而，Doo等[24]提出相反的結論，表示Ti3C2Tx分散液(0.02 mg/mL)在堿性條件下氧化穩(wěn)定性優(yōu)于在酸性環(huán)境下[圖6(c)]，并且溫度越高，氧化程度越嚴重。盡管酸堿度對抑制MXenes氧化的機理尚不夠明確，但可以確定的是，pH影響著水系MXenes分散液的氧化動力學，這需要進一步更詳細的實驗進行論證。

3 總結

MXenes 具有高電導率、高電化學活性和親水性等特點被廣泛應用在超級電容器領域，然而MXenes納米片在水溶液中極易發(fā)生氧化降解導致電化學性能不佳或下降。在此簡要總結了當前MXenes膠體氧化的調控策略及其對超級電容器性能的影響。由于MXenes 的氧化降解受溫度、H2O、氧氣和pH 等諸多因素影響且始于納米片的邊緣或缺陷處，MXenes的橫向尺寸、缺陷密度及儲存環(huán)境等因素將直接影響著MXenes材料的氧化穩(wěn)定性。MAX 相的純度、缺陷密度和粒徑等特征直接決定了合成MXenes的質量。因此，為了抑制MXenes的過度氧化，可以從源頭調控原材料的比例及種類以制備高質量的MAX 相，為得到高質量的MXenes(高純度、高結晶度和低缺陷濃度等特點)提供保障。

進一步，采用低濃度HF(≤10%)刻蝕MAX相可制備低缺陷濃度的MXenes。相比HF刻蝕劑，LiF/HCl(MILD 法)刻蝕制備的Ti3C2Tx具有光滑的邊緣，較低的缺陷濃度、較大的橫向尺寸以及表面含有較多的氧官能團(氟含量相對較少)，降低其氧化降解速率的同時展示了較高的電容量。而無氟刻蝕MAX相制備的Ti3C2Tx，環(huán)境穩(wěn)定性優(yōu)于含氟Ti3C2Tx，但表面基團改變了其費米能級及帶隙，導致Ti3C2Tx含有較多的Ti4+，理論上Ti3C2Tx表面贗電容下降，不利于高性能Ti3C2Tx基超級電容器的發(fā)展。

當分散在水溶液中，在低溫-氬氣-避光下儲存可顯著降低其氧化降解速率，有效延長其使用壽命。盡管在酸性或堿性條件下均可以延緩MXenes在水溶液中的氧化，但目前為止，抑制機理尚不夠明確。此外，可以通過物理或化學手段修飾MXenes表面結構來阻止O2或H2O分子直接與MXenes的氧化活性位點接觸，進而提高材料穩(wěn)定性，如通過添加抗壞血酸鈉、檸檬酸鈉等抗氧化劑；同時添加劑可有效抑制MXenes的自堆垛現(xiàn)象，增加層間間距，促進電解液離子傳輸，提高超級電容器的電容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。將MXenes分散在合適的有機溶劑中是隔絕H2O分子的另一種有效策略，環(huán)境條件下短時間也不會發(fā)生明顯的氧化降解，應用在有機電解液基超級電容器中，可大大降低水分子對MXenes 的相互作用，延長電極的使用壽命。此外，相比液體介質，MXenes分散在固體介質中是延長儲存壽命更有效的策略。

MXenes 作為超級電容器的工作電極，其電容量與納米片尺寸、缺陷濃度、電導率、Ti 化合價、堆積密度和親疏水性等特征有著重要關系，然而隨著MXenes逐漸氧化生成TiO2，不僅電極材料電導率下降，而且氧化導致Ti4+含量增多，表面贗電容下降，進一步惡化電化學性能。因此，抑制MXenes膠體氧化對提高超級電容器性能有著至關重要的作用。