日新月異的智能手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品正深刻的影響著我們的生活和工作。未來(lái)的電子產(chǎn)品將朝著柔性化、透明化、輕薄化的趨勢(shì)發(fā)展。透明導(dǎo)電薄膜(TCE)是這些便攜式電子產(chǎn)品的顯示屏和觸摸屏的核心，透明超級(jí)電容器則是他們的能量存儲(chǔ)核心。開(kāi)發(fā)高性能柔性透明導(dǎo)電薄膜電極，繼而組裝成先進(jìn)的透明超級(jí)電容器，對(duì)未來(lái)柔性電子的發(fā)展具有重要的市場(chǎng)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

基于銦錫氧化物(ITO)的TCE雖然兼具高透明度和低方阻，但存在易碎、成本高、需高溫處理等一系列缺陷。低成本開(kāi)發(fā)既有優(yōu)異光電性能，又有良好的儲(chǔ)能特性的柔性透明導(dǎo)電薄膜，是一個(gè)重要的研究方向。石墨烯、過(guò)渡金屬碳化物和(或)氮化物(MXene)納米片作為二維材料的兩個(gè)典型代表，具有超高的電子電導(dǎo)率、理想的電容儲(chǔ)能和對(duì)光透明的特性，在構(gòu)筑高性能TCE和柔性透明超級(jí)電容方面具有很大潛力。近幾年的研究表明，通過(guò)控制石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)理、優(yōu)化石墨烯的轉(zhuǎn)移工藝均可對(duì)石墨烯納米片的質(zhì)量和TCE的性能進(jìn)行有效調(diào)控。另一方面，通過(guò)控制MXene的納米片尺寸和堆積的有序程度，可實(shí)現(xiàn)TCE性能的優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能特性的提升。然而，石墨烯和MXene作為T(mén)CE和透明超級(jí)電容的活性電極的進(jìn)展卻鮮有綜述性的回顧。

最近，愛(ài)爾蘭都柏林圣三一學(xué)院(TrinityCollegeDublin)的張傳芳博士和ValeriaNicolosi博士結(jié)合課題組在石墨烯規(guī)?；合鄤冸x和MXene粘稠墨汁的高質(zhì)量制備等方面的已有優(yōu)勢(shì)，對(duì)石墨烯和MXene作為T(mén)CE和透明超級(jí)電容兩大方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述性的回顧和前瞻性的展望。作者先對(duì)高質(zhì)量石墨烯薄膜的制備，圍繞氣相沉積(CVD)、液相剝離(LPE)和氧化-還原法(Oxidation-reduction)三大方面展開(kāi)討論，重點(diǎn)對(duì)CVD的優(yōu)劣以及卷對(duì)卷規(guī)?；苽浯竺娣e石墨烯基柔性透明導(dǎo)電薄膜等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。對(duì)石墨烯TCE的現(xiàn)有極限以及如何打破這個(gè)極限亦提出了獨(dú)特的看法。其次，作者對(duì)MXene基TCE的制備方法、光電性能、與石墨烯相比的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)進(jìn)行了點(diǎn)評(píng)。最后，作者回顧了基于石墨烯和MXene的TCE在透明超級(jí)電容器件的研究進(jìn)展，尤其對(duì)柔性自支撐的石墨烯透明紙、MXene的電容行為響應(yīng)及其固態(tài)器件的儲(chǔ)能性能進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。對(duì)MXene在TCE和透明電容的前景和挑戰(zhàn)亦分別給出了獨(dú)到的展望和可能的解決方案。該文章發(fā)表在國(guó)際知名期刊EnergyStorageMaterials上。

作者首先對(duì)透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用場(chǎng)合、市場(chǎng)前景和傳統(tǒng)ITO電極的劣勢(shì)，突出了開(kāi)發(fā)高性能柔性TCE的市場(chǎng)價(jià)值和重要的戰(zhàn)略意義。

石墨烯納米片具有優(yōu)異的電子遷移率和載流子濃度以及光學(xué)透明特性，是TCE的理想材料。在眾多石墨烯制備路線中，CVD法可以對(duì)石墨烯的層數(shù)和尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，受到了廣泛的關(guān)注。將沉積于Ni或Cu箔的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上(如玻璃、PET等)就得到了石墨烯TCE，且光電性能非常優(yōu)異，接近甚至超過(guò)ITO。制備流程如圖2所示。然而，該路線需要將大量的Ni或Cu腐蝕掉，且在薄膜轉(zhuǎn)移過(guò)程中有引入聚合物殘留物(如PDMS，PMMA等)的可能，在規(guī)模化制備TCE薄膜中受到了限制。因此，未來(lái)應(yīng)致力于開(kāi)發(fā)無(wú)腐蝕無(wú)轉(zhuǎn)移的石墨烯TCE的生產(chǎn)路線，來(lái)滿足柔性電子行業(yè)的需求。

事實(shí)上，當(dāng)不斷減小TCE的薄膜厚度，雖然透明度不斷增加，然而由于完成的導(dǎo)電骨架網(wǎng)絡(luò)被打破，因此方阻急劇上升。此現(xiàn)象被稱為Percolationproblems。正是由于這一現(xiàn)象的存在，極大的限制了高透明度的導(dǎo)電薄膜的開(kāi)發(fā)，也決定了通常情況下，無(wú)論采用何種石墨烯制備方案，其TCE的光電特性均存在幾個(gè)重要的性能極限，如圖3所示。

為了滿足如液晶顯示器等領(lǐng)域?qū)ν该鲗?dǎo)電薄膜的苛刻需求，打破石墨烯基TCE的當(dāng)前性能極限就成了必經(jīng)之路。作者提及了兩種思路，其一為化學(xué)摻雜的思路，同時(shí)改變所制備的石墨烯薄膜的載流子濃度和載流子遷移率;其二為復(fù)合材料的思路，利用石墨烯納米片與金屬納米線復(fù)合，提高光電性能的同時(shí)，還可提升薄膜的平整性，降低粗糙度，如圖4所示。

另一方面，MXene由于其超高的電子電導(dǎo)率(9880S/cm)和優(yōu)異的電容儲(chǔ)能特性，是構(gòu)筑高性能TCE和柔性固態(tài)透明超級(jí)電容的理想材料。作者首先談及了制備方法對(duì)MXeneTCE的光電性能的影響，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)懸涂的思路更有利于得到納米片致密平行堆疊、形成有序連貫導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的TCE，從而使得其光電性能優(yōu)化，如圖5所示。其次，MXene納米片的尺寸，質(zhì)量和缺陷位均對(duì)TCE的光電性能有重要影響。盡管MXene在全球范圍內(nèi)研究得如火如荼，且MXene基TCE展現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能，作者提到，MXene的高制備成本和室溫不穩(wěn)定性是限制其走向工程化的兩大攔路虎。未來(lái)MXene研究的不斷發(fā)展，會(huì)使得這兩個(gè)問(wèn)題日益突出。盡管將MXene水系懸浮液密封存儲(chǔ)于惰性氣氛中(張傳芳博士的另一研究工作，見(jiàn)Chem.Mater.2017,29,4848-4856)可以有效延長(zhǎng)MXene的壽命，但如何降低從MAX到MXene的總體制備成本卻迄今為止，無(wú)人提及。

探明了TCE的諸多方面后，作者進(jìn)一步總結(jié)了石墨烯和MXeneTCE直接作為活性電極，應(yīng)用于透明超級(jí)電容領(lǐng)域的研究進(jìn)展。以CVD-石墨烯為例，將石墨烯轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底后，采用三明治的思路，便可構(gòu)筑可拉升的固態(tài)透明超級(jí)電容。

另一方面，MXene表面的親水官能團(tuán)極大的促進(jìn)了贗電容的發(fā)揮。因此，采用MXeneTCE直接作為透明電容的電極，便可展現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)能特性，如圖7所示。為了進(jìn)一步擴(kuò)寬工作電壓，將MXene與碳納米管基TCE以三明治的形式，便可構(gòu)筑非對(duì)稱型透明超級(jí)電容。

最后，作者對(duì)石墨烯和MXene這兩種二維材料的代表，在TCE和透明超級(jí)電容兩大領(lǐng)域的前景進(jìn)行了展望，認(rèn)為：(1)CVD路線在規(guī)模化制備透明石墨烯薄膜電極具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，未來(lái)應(yīng)圍繞著開(kāi)發(fā)無(wú)腐蝕催化基底、無(wú)轉(zhuǎn)移薄膜的工藝路線;(2)對(duì)石墨烯透明超級(jí)電容，應(yīng)極大增加其面電容以適應(yīng)對(duì)能源存儲(chǔ)特性的要求;(3)MXene在透明儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)應(yīng)著重降低MXene上下游的制備成本;(4)通過(guò)化學(xué)摻雜或制備復(fù)合TCE，MXene基柔性透明導(dǎo)電薄膜的光電性能有望得到極大提升;(5)MXene基TCE的規(guī)?；苽浜捅４鎸?duì)于其走向工程化應(yīng)用至關(guān)重要。