上海交通大学杨晓伟&河南大学王转培：MBene 二维材料在能源存储与能量转化中的应用

研究背景

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CO₂/N₂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

本文亮点

1. 系统综述了MBene的结构特征、化学组成及其在能源存储与能量收集领域的最新研究进展。

2. 重点分析了MBene在电池、超级电容器及CO₂和N₂还原反应中的电化学性能与作用机理。

3. 探讨了MBene合成面临的关键挑战，并总结了人工智能在材料设计与性能预测中的潜在应用。

内容简介

上海交通大学杨晓伟&河南大学王转培团队系统总结了新兴二维材料MBene的最新研究进展，全面涵盖了其化学结构、物理化学特性及在能源存储与转换领域的广泛应用。文章首先深入剖析了MBene的多样晶体结构及其独特的电子特性，揭示了这些结构特征如何赋予材料优异的电荷存储和传输能力，为后续应用奠定了理论基础。随后，重点探讨了MBene在锂/钠/多价离子电池、锂硫电池及超级电容器等电化学储能系统中的关键作用，结合实验数据与理论计算，阐明了其性能提升的结构基础及有效的调控策略，展示了MBene在提升储能器件能量密度和循环稳定性方面的巨大潜力。此外，文章评述了MBene在催化能量转换中的多功能性，特别是在CO₂还原、N₂还原及其他绿色能源反应中的高效催化活性，凸显了其在能源收集和转化中的广泛应用前景。特别地，本综述介绍了人工智能辅助材料设计在MBene研发中的前沿应用，展示了AI在预测材料性能、指导合成路径及优化功能特性方面的重要作用，为材料设计提供了智能化工具。最后，文章总结了MBene在合成方法、稳定性、界面调控及规模化应用方面面临的挑战，并提出了未来研究方向，包括新型MBene设计策略、多功能复合材料开发及高效能源系统应用，为二维材料在可持续能源技术中的进一步发展提供了系统、全面的指导与参考。

图文导读

I MBene 的多层结构与电子活性位点

图1. 二维材料的发展历程以及MXene和MBene的比较。

如图1所示，MBene展示了二维层状结构的独特魅力。金属原子与硼/非金属原子在层间交替排列，形成高度有序的晶格结构，产生大量电子活性位点。在储能过程中，这些活性位点不仅增强了电子传导能力，还提供了锂、钠及多价离子的高效嵌入/脱出通道，使电荷存储更快速、均匀。同时，层间距和表面功能基团(如 –OH、–O)可以通过化学调控实现微调，优化离子扩散和界面电场分布，从而提升循环稳定性和容量保持率，为MBene在高性能电化学器件中的应用奠定基础。

II MBene 的制备与界面调控策略

图2. MBene 的制备与表面功能化流程。刻蚀、剥离及化学修饰协同作用，暴露活性位点、形成二维通道并优化界面。

如图2所示，MBene的制备过程包括前驱体刻蚀、二维片层剥离以及表面官能化处理。刻蚀步骤暴露出更多活性位点，剥离形成二维通道结构，官能化则改善电极-电解质界面接触。通过这些调控策略，MBene在储能过程中可以实现离子的均匀嵌入/脱出，降低界面阻抗，并增强循环稳定性和电子传导效率，为其在高性能电化学器件中的应用奠定基础。

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CO₂还原反应(CO₂RR)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. Mo₂C MXene和MoB MBene在CO₂还原中的应用。

图8. Cr₃B₄ MBene对N₂还原生成NH₃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。

IV 人工智能赋能MBene材料设计与性能优化

图11. AI可预测不同组成、层间结构和表面官能化的性能，指导实验设计并加速材料发现，实现高通量MBene的筛选。

如图4所示，人工智能(AI)为MBene研究提供了全新的机遇。通过机器学习和计算模拟，AI可预测不同MBene组成、层间结构和表面功能化下的性能表现，从而指导实验设计与优化。结合实验数据，AI不仅可以加速新型MBene的发现，还能优化其储能、催化和光电性能，实现高通量筛选和性能提升。图中展示了AI在材料设计、性能预测及应用开发中的关键作用，为MBene在可持续能源、催化及多功能器件中的应用开辟了新途径。

V 总结

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。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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