南京林业大学：脑洞大开！小小碳点+极速焦耳热，搞定MXene薄膜“鱼和熊掌”难题！

文章核心信息

📅 发表时间：2026年2月9日投稿，2026年4月7日修回，2026年4月21日录用（在线预发表）

📜 发表期刊及影响因子：Journal of Colloid and Interface Science（胶体与界面科学杂志），2024-2025年最新影响因子9.7，中科院一区TOP期刊

🎓 文章标题：Carbon dot enhanced micro-explosion for ion-accessible and highly conductive MXene films via fast joule heating（基于快速焦耳加热，碳点强化微爆炸效应制备离子易通达、高导电MXene薄膜）

👥 研究团队：Weimin Chen, Zhongqiong Zhang, Qiang Yang, Ziyi Xu, Peng Huang, Pei Yang, Xiaoyan Zhou

所属单位：南京林业大学 林业资源高效加工利用协同创新中心、林产化工与材料国际创新中心、速生树木与农林纤维材料江苏省工程研究中心（中国南京）不列颠哥伦比亚大学 林学院 可持续功能生物材料实验室（加拿大温哥华）南京理工大学 机械工程学院（中国南京）

通讯/作者说明：通讯作者为杨培、周晓燕（南京林业大学）；陈伟敏与张钟琼为共同一作。

研究核心摘要

传统热处理改性MXene薄膜会造成片层过度堆叠，阻碍离子传输，同时还会引发材料氧化，两大问题长期制约其储能应用。本研究创新性结合秒级快速焦耳加热与碳点（CDs）改性策略，利用静电作用将碳点均匀锚定在Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片表面。在短时焦耳加热过程中，碳点与MXene同步释放气体，在薄膜内部形成受限微爆炸，打造出“整体致密、局部多孔”的特殊结构，既保障电子快速传导，又为电解液离子开辟传输通道；同时碳点优先附着在MXene缺陷位点，受热后原位形成富碳保护层，有效抑制高温氧化。

核心实验参数与性能亮点

• 最优工艺：碳点掺杂量2%，焦耳加热温度350℃，保温时长仅90秒，加热效率极高；

• 电化学性能：改性后薄膜比电容提升49%（0.1 A/g下达486 F/g），电导率大幅提升549%，10 A/g大电流下电容保持率75.4%；

• 器件性能：基于该薄膜组装的对称超级电容器，5000次充放电循环后电容保留93.2%，循环稳定性优异。

技术创新点

• 工艺高效：依托快速焦耳加热，90秒即可完成薄膜改性，区别于传统长时间退火工艺，具备规模化量产潜力；

• 碳点新应用：打破碳点仅作为导电添加剂的传统认知，将其开发为热结构双功能调控剂，兼具产气造孔、抗氧化双重作用；

• 结构突破：巧妙利用微爆炸效应，解决MXene薄膜“高导电性”与“离子可及性”无法兼顾的行业痛点。

大家好！在储能材料圈，MXene薄膜绝对是当红明星，导电强、柔韧性好，做超级电容器电极再合适不过。但它一直有个绕不开的“老大难”：想让导电性更好，就得把片层压得更密实，结果离子跑不动、储能能力下降；加热处理还容易让MXene氧化变质，相当于提升导电和离子传输、防氧化三者互相打架，鱼和熊掌没法兼得。

今天就带大家解读一篇超有意思的研究，南京林业大学团队玩出了新花样：往MXene里加一点点碳点（CDs），再配合秒级极速焦耳热，靠一场“可控微型爆炸”+“专属防护衣”，完美破解了这个世纪矛盾！

一、先认识两位主角&传统痛点

1. 主角登场

• MXene（Ti₃C₂Tₓ）

  ：二维层状纳米材料，导电能力拉满，做成柔性薄膜后，可弯折、易加工，是柔性储能设备的理想电极。

• 碳点（CDs）

  ：超迷你纳米碳颗粒（平均直径仅2.6 nm），个头小、表面官能团丰富，看似不起眼，却是本次实验的“灵魂助攻”。

2. 传统加热的两大坑

业内常用加热法优化MXene薄膜：去掉表面多余基团、缩小片层间距，导电性确实暴涨，但副作用接踵而至：

1. 片层挤太紧，电解液离子钻不进去，储能性能大打折扣；

2. 高温下MXene容易在缺陷位置被氧化，材料直接“变质”，性能一路下滑。

怎么做到薄膜密实导电强、离子通道畅通、还能防氧化？这篇研究给出了满分答案！

二、核心玩法：碳点的双重神技能（对应图1）

【图1 原理示意图】

配图说明：碳点在秒级焦耳加热下的两大作用原理图

一句话看懂图1：这张图就是整篇论文的核心精髓，清晰画出碳点在焦耳加热过程中扮演的两大角色。

1. 静电牵手，稳稳结合

碳点和MXene表面带相反电荷，靠静电作用牢牢吸附在MXene纳米片上，不会乱团聚，也不会破坏薄膜原本的致密结构。

2. 技能一：释放气体，触发“微型爆炸”

进行秒级焦耳快速加热时，MXene表面基团+碳点会快速释放出水蒸气、氨气、甲烷等多种气体。气体被密闭在MXene片层之间，瞬间攒下高压，就像在密闭空间里发生温和的微型爆炸。

效果：薄膜整体依旧保持密实（保证高导电），但局部被炸出大孔洞（给离子留出快速通道）。

3. 技能二：卡位补缺陷，穿上“防氧化防护服”

MXene最容易被氧化的地方，就是表面缺陷和边缘位置。而碳点偏偏就喜欢吸附在这些高危点位！高温过程中，碳点会原位碳化，在缺陷处形成一层富碳保护膜，死死挡住氧气，彻底杜绝MXene氧化变质。

简单总结：碳点既是“爆破手”，又是“防护员”，一物两用！

三、层层拆解实验现象，看图懂原理（对应图2）

【图2 结构与产气分析图】

配图说明：材料孔隙、产气规律、结构演变测试图

这组图用来实锤：加热过程中确实产气、造孔，形成了“整体致密+局部多孔”的神奇结构。

图2a：氮气吸附测试——孔洞变多变大

对比纯MXene、加热后MXene、碳点复合MXene、加热后复合样品：焦耳加热之后，材料的平均孔径、总孔体积明显变大，证明微型爆炸真的炸出了大量孔隙，离子有更多空间穿梭。

图2b/c：TG-FTIR追踪“气体来源”

科学家实时监测加热时冒出的气体：

- 纯MXene加热：主要释放水蒸气、含碳氧化物，来自表面羟基、含氧基团分解；

- 纯碳点加热：350℃以下会大量释放氨气、甲烷等气体，产气能力远超MXene。

这也就解释了：加入碳点后，片层内气体更多、压力更大，微型爆炸效果被大幅强化，造孔效果翻倍。

图2d：产气强度曲线

两条曲线分别代表MXene和碳点的产气峰值，在350℃左右两者产气都达到顶峰，这也是实验选定350℃为最佳加热温度的关键原因。

图2e：结构演变示意图

直观展示最终结构：极速焦耳热+碳点产气，让MXene薄膜整体收缩变密实（电子跑得更快），同时局部被气体撑开形成大孔（离子畅行无阻），完美解决“致密”和“离子传输”的对立问题。

四、实锤防氧化！材料表征揭秘（对应图3）

【图3 热重&XPS&高分辨电镜图】

配图说明：材料热稳定性、元素分析、微观形貌表征图

前面我们说碳点能防氧化，这组图就是实打实的证据。

图3a：热重（TG）曲线——重量变化辨氧化

- 纯MXene加热：重量反常上升，这是典型的被氧气氧化（结合氧原子导致增重）；

- 碳点+MXene复合材料：加热后正常失重，没有出现氧化增重现象。

结论：碳点成功抑制了MXene高温氧化！

图3b/c：XPS能谱——看元素化学键变化

检测材料表面的钛、氧元素：纯MXene加热后，代表氧化产物二氧化钛的特征峰明显变强；而加入碳点的复合样品，氧化特征峰几乎没有变化。再次证明：碳点牢牢守住了MXene，阻止其被氧化。

图3d：高分辨透射电镜（HRTEM）

可以清晰看到：MXene的缺陷、边缘位置覆盖了一层碳的晶格结构（碳点碳化形成的保护膜），没有发现二氧化钛晶体。肉眼可见的“防护衣”，实锤防氧化机制！

五、性能大爆发！电化学数据秀实力（对应图4）

【图4 三电极体系电化学性能】

配图说明：电极充放电、倍率、电导率、阻抗测试图

原理说得再好，性能才是硬道理！这组图测试电极本身的储能、导电、阻抗表现。

图4a：充放电曲线

曲线形态饱满对称，说明材料储能稳定性好。经过焦耳热处理的碳点/MXene复合样品，充放电时长明显更长，代表储电能力大幅提升。

图4b：倍率性能（大电流耐受能力）

电流密度放大100倍后，优化后的样品电容保留率仍有75.4%。意思就是：就算大功率快速充放电，材料依旧能稳定工作，实用性拉满。

数据亮点：最优样品比电容达到486 F/g，相比原始MXene提升约49%！

图4c：电导率测试

- 单纯加热MXene：导电率提升200%；

- 碳点+焦耳热组合：导电率直接暴涨549%！

一方面薄膜更致密，一方面杜绝了氧化，双重加持下导电性实现飞跃。

图4d：交流阻抗（Nyquist图）

曲线半圆越小，代表电荷传输阻力越小。热处理后的复合样品阻抗仅0.94 Ω，电子和离子传输几乎畅通无阻。

补充小细节：实验筛选出2%碳点添加量为最优比例。加太少，爆炸和防护效果不足；加太多，碳点会盖住MXene活性位点，反而降低储能能力。

六、器件落地！做成超级电容器也能打（对应图5）

【图5 对称超级电容器器件性能】

配图说明：成品器件循环伏安、充放电、循环稳定性测试图

实验室电极性能优秀不算完，做成实际器件才是最终目标。团队用最优材料组装了对称超级电容器，测试实战能力：

图5a：循环伏安（CV）曲线

不同扫描速率下，曲线形状始终稳定，说明器件同时具备双电层电容和赝电容特性，储能机制稳定。

图5b/c：不同电流下充放电&比电容

电流放大20倍，电容保留率还有91.3%，倍率性能十分出色；0.1 A/g电流下，器件比电容可达286 F/g。

图5d：长循环稳定性

连续5000次充放电后，器件依旧保留93.2%的初始容量。反复使用不衰减，证明材料循环寿命长，满足实际应用需求。

七、全文总结&亮点盘点

核心创新一句话：利用碳点+秒级焦耳快速加热，借助“可控微型爆炸”打造出「整体致密、局部多孔」的MXene薄膜，同时依靠碳点原位成膜实现防氧化，彻底打破传统热处理中“导电、离子传输、抗氧化”三者的矛盾。

三大亮眼成果

• 结构创新

  ：不靠复杂工艺，仅用产气爆破，一举实现致密导电+离子通道共存；

• 功能升级

  ：碳点不再是单纯的添加剂，变身“结构调控剂+抗氧化防护剂”双重角色；

• 性能飞跃

  ：比电容提升49%，电导率飙升549%，器件循环、倍率性能全部拉满。

应用前景：这种方法工艺简单、可规模化制备，适配柔性可穿戴设备、便携式储能、大功率超级电容器等多个领域，为MXene基储能材料的实用化发展提供了全新思路！

💡 谁能想到，小小的碳颗粒，配合一场“温柔的微型爆炸”，就解决了材料界多年的难题。材料科学的魅力，就在于巧用微观反应，解锁宏观性能的无限可能～