MBene 二维材料在能源存储与能量转化中的应用

随着全球能源需求持续增长和化石能源引发的环境问题日益严峻，高性能、可持续的能源存储与能量转化技术成为研究焦点。电池和超级电容器等器件的性能高度依赖于电极材料的结构与性质，而二维材料因其高比表面积、优异电导率和丰富活性位点，在能源领域展现出巨大潜力。作为MXene家族的新型衍生材料，MBene(二维过渡金属硼化物)凭借独特的层状结构、良好的力学稳定性及优异的电子传输特性，被视为极具前景的能源材料。然而，当前对MBene的研究仍存在诸多不足，如相转变机制尚未完全明晰，合成过程中面临元素掺杂困难、层间堆叠易发生、表面官能团控制复杂等挑战，且其在能源存储与能量收集中的系统认识仍有限。因此，本文旨在系统综述MBene的结构特征、化学组成及其在电池、超级电容器及CO?/N?还原反应中的电化学性能与作用机理，深入探讨其合成关键挑战，并总结人工智能在材料设计与性能预测中的潜在应用，以期为MBene的进一步研究与应用提供理论指导和技术支持。

High-Entropy Layered Hydroxides: Pioneering Synthesis, Mechanistic Insights, and Multifunctional Applications in Sustainable Energy and Biomedicine

Jai Kumar, Nadeem Hussain Solangi, Rana R. Neiber*, Fangyuan Bai, Victor Charles, Pengfei Zhai, Zhuanpei Wang*, Xiaowei Yang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 97

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01941-8

2. 重点分析了MBene在电池、超级电容器及CO?和N?还原反应中的电化学性能与作用机理。

图1. 二维材料的发展历程以及MXene和MBene的比较。

III MBene 在储能、能量收集及多功能应用中的潜力

图3. MBene的多功能应用。

如图3所示MBene不仅在储能系统中表现出卓越性能(如锂/钠/多价离子电池和超级电容器)，还可应用于能量收集与催化领域，包括CO?还原反应(CO?RR)和氮还原反应(NRR)。其二维层状结构和丰富的表面活性位点，使离子/电子传输通道高效，反应界面稳定。在更广泛的应用中，MBene还可作为吸附材料、磁性材料、光电化学材料及电催化材料，实现多功能协同效应。图中直观展示了MBene结构特性如何支撑其在多种能源和环境应用中的高性能表现，为未来多功能材料设计提供指导。

图4. MBene在锂离子电池中的应用。

图5. MBene/CNTs在锂-硫电池中的应用。

图6. MoB MBene在钠离子电池中的应用。

图7. Mo?C MXene和MoB MBene在CO?还原中的应用。

图8. Cr?B? MBene对N?还原生成NH的催化机制。

图9. MBene在HER中的应用。

图10. MBene在太阳能电池中的应用。

二维过渡金属硼化物(MBene)凭借其独特的层状结构与优异的电子传输特性，已成为能源存储与转化领域备受关注的前沿材料。在储能体系中，MBene凭借高导电性与丰富的表面活性位点，显著提升锂、钠及多价离子电池的循环稳定性与动力学性能，并在锂硫电池与超级电容器中展现出良好的电荷存储能力。在能量转化方面，其可调的表面化学环境使其在二氧化碳还原与氮气电还原等关键反应中具备多路径催化潜力，为绿色燃料合成提供新思路。人工智能技术的引入，正加速MBene的结构预测、性能优化与定向设计，有效缩短材料研发周期。尽管当前在可控合成、环境稳定性及规模化制备方面仍面临挑战，其在原子尺度上的可设计性与多功能集成优势，使其成为构建下一代可持续能源器件的重要候选体系。未来研究应着力于结构精准调控、界面工程优化与复合架构创新，推动其从基础研究向实际应用跨越。

作者简介

杨晓伟

本文通讯作者

上海交通大学 教授

▍主要研究领域

(1) 镁二次电池；(2) 电解液化学；(3) 膜及膜分离。

▍主要研究成果

杨晓伟教授，青年科学基金项目（A类）、上海市曙光学者。2011年获得上海交通大学应用化学专业博士学位，2009-2014年在澳大利亚Monash大学先后任研究助理和博士后研究员。2014年任同济大学材料科学与工程学院特聘研究员，2020年开始任上海交通大学化学化工学院研究员。曾先后承担国家杰出青年科学基金、科技部青年973计划、国家基金委面上/青年基金资助。以第一/通讯作者在Science、Nat Commun、Adv Mater、Angew Chem Int Ed等高水平期刊发表90多篇学术论文，最高单篇他引1700余次，总引用次数6000次以上。

▍Email：yangxw@sjtu.edu.cn

王转培

本文通讯作者

河南大学 教授

▍主要研究领域

(1) 宽温域锂离子电池；(2) 电解液优化设计。

▍主要研究成果

王转培教授，河南大学硕士研究生导师，黄河学者特聘教授。博士毕业于中国工程物理研究院化工材料研究所。曾在波兰波兹南工业大学化学与电化学技术研究所从事为期两年的博士后研究，合作导师为 Fran?ois Béguin 教授。近年来，在 Coord Chem Rev (CCR)、Nano-Micro Lett、Mater Today、ACS Energy Lett 及 Energy Storage Mater等国际知名期刊发表多篇高水平学术论文。她先后主持和参与多项科研项目，其中包括国家自然科学基金青年项目。目前，王转培教授担任多种国际知名期刊的客座编辑和审稿人，并已在中国授权多项能源相关发明专利。

▍Email：zhuanpeiwang@henu.edu.cn

Rana R. Neiber

本文通讯作者

中国科学院过程工程研究所 博士后

▍主要研究领域

(1) MXene、(2) PET 回收利用、(3) 绿色化学、(4) 锌离子电池。

▍主要研究成果

Rana R. Neiber 博士现为中国科学院过程工程研究所博士后研究人员(北京)。2024 年毕业于中国科学院大学，获化学工程专业博士学位(优秀博士毕业生)。其研究致力于利用资源丰富且环境友好的材料与工艺，构建可持续能源存储体系，重点开展新一代能源存储材料中柔性电极的设计与合成研究。

▍Email：rana@ipe.ac.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部