“三头六臂”的MXene材料到底有多厉害——近距离感受其非凡的威力

2021-11-22 11:36:01, 春国



MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳/氮化物(transition metal carbide/nitride),其化学通式为Mn+1XnTX, 其中(n = 1–3),M代表早期过渡金属,如Ti、Zr、V、Mo等;X代表C或N元素,Tx为表面基团,通常为-OH,-O,-F和-Cl。它最初于2011年出现,由于MXene材料表面有羟基或末端氧,它们有着过渡金属碳化物的金属导电性。在超级电容器、电池、电磁干扰屏蔽和复合材料等中得到越来越广泛的应用。由于过渡金属原子与碳或氮原子以分层方式排列的结构结构,使MXene享有非凡的成分多样性和可调节的性能。这可能是迄今为止已知的最大的2D材料家族。MXene材料无疑已经成为材料学中最热门的材料之一了。


1. 柔性Ti2C MXene薄膜:合成、电化学性能和电容特性(Chemical Engineering Journal;通讯作者:武汉科技大学李轩科,丛野)

超级电容器因其良好的耐久性和高功率密度而在储能领域备受关注,但低能量密度抑制了其进一步发展。超级电容器的能量密度可以通过使用无粘合剂的电极材料来有效提高。同时,柔性电极对于可穿戴电子设备来说是必不可少的。因此,开发灵活的独立和无粘合剂的电极材料以满足这些要求并进一步提高其电化学性能和耐磨性至关重要。

本研究系统地研究了Ti2C MXene电极的电容特性和电化学性能,揭示了水电解质组成的关键影响因素。在H2SO4、LiCl和NaOH电解质中获得的最大比电容分别为382F g-1、104 F g-1和99F g-1。1M H2SO4电解质的优异电化学性能源于其最高的电解质电导率和伪电容电荷存储机制,这是由水合氢离子与含氧官能团之间的强耦合所产生的。值得注意的是,通过构建多孔膜或三维结构等简单的方法,可以进一步改善其固有的电化学性能。在此基础上,预测了该电荷储存机制的通用性,为MXene的快速发展奠定了理论和实验基础。


2. 在具有超稳定循环性能的常温有机离子液体铝电池中原位制备MXenesACS Applied Materials & Interfaces;通讯作者:北京科技大学李建玲)

MXenes的传统制备方法或多或少都与HF酸有关,在制备过程中存在很大的安全隐患。此外,通过水基化学蚀刻方法制备的MXenes表面含有大量-OH和-F官能团,这影响了它们在有机储能装置中的电化学性能。众所周知,F元素具有剧毒,不仅危害人体健康,而且严重污染我们的水资源。因此,新兴的绿色制备方法成为近年来的研究热点。

此研究在路易斯酸性熔盐中,常温下实现了MXenes的无氟、无水电化学制备。研究了MAX相V2AlC在有机离子液体铝电池中的阳极反应,确定了MAX相V2AlC中金属原子Al和V的萃取电压。这为MXenes恒压电化学制备指明了方向。还研究了蚀刻后的V2AlC (E-V2AlC)在铝电池中的电化学性能。一站式制备应用过程避免了MXenes与水和空气的接触,而蚀刻在铝电池中的MXenes更有利于Al3+的插/脱插。因此,E-V2AlC在铝电池中表现出优异的电化学性能。在电压窗为0.01-2.3 V (V vs Al/Al3+)、电流密度为500 mA g-1的条件下,经过6500次循环后,比放电容量约为100 mAh g-1。最后研究了E-V2AlC在铝电池中的储能机理和法拉第储能方法。用恒流间歇滴定法测定了Al3+的扩散系数D。从动力学的角度阐明了其优异电化学性能的原因。


3. 基于皱褶MXene薄膜的高灵敏度自供电压力和应变传感器,用于无线人体运动检测(Nano Energy;通讯作者:南京邮电大学李建民,上海工程技术大学郭隐犇)

随着可穿戴电子产品和人工智能的飞速发展,迫切需要高效的人机交互系统。压力和应变传感器具有灵敏度高、功能多样化等优点,可以将人体运动等各种形式的外部刺激转化为电信号,在监测人体健康和动机方面具有广阔的应用前景。然而,可穿戴压力/应变传感器的长期和实时能量供应已成为其实际应用的主要挑战。尽管化学电池已广泛应用于商业电子产品,但频繁出现的安全问题使其不是可穿戴电子产品的好选择。因此,开发自供电的可穿戴传感器以避免使用能源供应设备被认为是一种理想的选择。

在此,报告了一种使用皱褶MXene薄膜的可拉伸摩擦纳米发电机(TENG)压力/应变传感器,该薄膜通过将MXene 墨水刷涂到预拉伸的乳胶基材上然后释放而引入。皱折的结构不仅赋予薄膜超高的拉伸性,而且显着提高了表面粗糙度,从而提高了TENG的能量收集性能和压力/应变传感的灵敏度。的最大输出功率密度达到2.89µW cm2,这比基于无皱褶的扁平MXene薄膜的TENG高约36 倍。为了评估所提出的传感器的压力传感能力,测量并详细研究了输出与施加的力之间的关系。通过探索拉伸和释放过程中应变率和输出电压之间的函数,还讨论了应变传感特性。值得注意的是,该高性能传感器已成功集成到无线运动监测系统中,用于自供电实时将人体运动状态反馈到智能手机,表明其在可穿戴传感器方面具有广阔的潜力。


4. 利用水热氧化还原反应一锅法合成用于分解水的Ru/Nb2O5@Nb2C三元光催化剂(Applied Catalysis B: Environmental;通讯作者:华南理工大学化学余皓)

通过燃料电池和二氧化碳利用技术,太阳能制氢是一种可持续的未来能源供应方法,对环境的风险最小,并具有高度的可行性,可集成到现有的化学和能源工业中。因此,高性能的半导体光催化剂对于克服激发载流子的复合和由此产生的低量子产率是非常必要的。

本文利用Nb2CTx MXene的还原性,验证了一种一锅水热合成MXene光催化剂的方法。结果表明,在水热氧化过程中,Nb2CTx的还原性来源于Nb2CTx存在时水裂解产生的活性氢,在Nb2CTx制备的Nb2O5纳米线上原位将Ru3+还原为Ru纳米颗粒。与传统的光沉积法相比,一锅法合成的贵金属Ru/Pt的化学价更接近金属态,电荷转移电阻降低了82.5%。在313 nm光催化产氢量为10.11 mmol·h-1·g-1,表观量子子产率为41.25%。


5. 二维磁性Fe3O4/TiO2@Ti3C2Tx复合材料的原位可控制备用于高效富集磷酸肽(ACS Applied Materials & Interfaces:通讯作者:四川大学吴尧,蓝芳)

磷酸肽的高效富集对于磷酸蛋白质组学相关的生物学和病理过程研究具有重要意义,但由于缺乏具有高富集效率和容量的亲和材料,它仍然具有挑战性。Ti3C2Tx MXene 是一种具有优异物理化学性能的新型二维材料,在各个领域都有广泛的应用。然而,在生物医学领域使用MXene衍生材料进行磷酸肽分离的报道很少。

在这项工作中,提出了一种简便的一锅法原位氧化和改性 Ti3C2TxMXene,制备二维(2D)磁性Fe3O4/TiO2@Ti3C2Tx复合材料,用于磷酸肽富集的潜在应用。Fe3O4/TiO2@Ti3C2Tx复合材料得益于出色的磁响应性和多亲和位点(Ti-O、Fe-O 和NH2基团),具有优异的富集性能和高灵敏度(0.1 fmol μL1)、出色的选择性(β-酪蛋白:牛血清白蛋白= 1:5000,摩尔比)、良好的重复性(5次)和高富集能力(200 mg g1)。此外,从脱脂牛奶、人唾液、人血清和大鼠脑裂解物中选择性富集磷酸肽的结果表明,Fe3O4/TiO2@Ti3C2Tx复合材料在低丰度磷酸肽富集方面具有巨大潜力。复杂的生物样品。这项工作提出了一种制备磁性MXene复合材料的通用方法,并促进了MXene复合材料在生物医学磷酸化蛋白质组中的应用。


6. 3D 打印的MXene气凝胶具有真正的3D宏观结构和高度工程化的微观结构,可增强电气和电化学性能(Advanced Materials ;通讯作者:美国堪萨斯州立大学Dong Lin,奥本大学Majid Beidaghi

MXenes 已显示出卓越的特性,例如高导电性、亲水性以及在其层之间嵌入不同阳离子的能力。然而,与其他2D材料类似,MXenes 在某些应用中的性能受到它们在组装过程中重新堆叠和/或聚集的趋势的影响。为了克服这个问题,成功地利用各种方法将2D材料集成到3D宏观结构中,这些结构具有超轻特征、高孔隙率和大比表面积等吸引人的特性。

在这里,报告了使用3D冷冻打印(3DFP)方法制造超轻和真正的3D MXene气凝胶结构。这种新颖的制造方法结合了单向冷冻铸造(UFC)和按需喷墨打印来定制气凝胶的微观和宏观结构。与基于挤压的3D打印不同,3DFP不需要粘弹性剪切稀化油墨,并且可以使用水(冰)作为支撑材料来制造真正具有悬垂特征的3D结构。在本研究中,对3DFP Ti3C2Tx进行了机械、电气和电化学表征气凝胶以评估其在不同应用中的潜力,例如压阻传感、柔性/可穿戴电子产品和叉指微型超级电容器(MSC设备)。此外,利用基于喷墨的3D打印方法提供的优势,制造了全MXene MSC设备,该设备由集电器和多孔电极组成,MXene片材的方向受控。3D打印的全MXene MSC设备具有工程微结构,由水平和垂直对齐的MXene片组成,证明了MXene片对齐对MSC电化学性能的重要性。结果表明,具有水平排列的MXenes 的集电器层有助于提高导电性,而具有高孔隙率的垂直排列的层在高扫描速率下提供更好的离子传输和改进的性能。据知,这是第一份提出具有水平和垂直对齐MXene片材的全固态 MXene MSC设备的报告。结果表明3DFP是一种简单、直接且廉价的电极制造方法,具有很好的可定制性,可以设计电极的微观和宏观结构。


7. 构建3D交织 MXene/石墨氮化碳纳米片/石墨烯纳米结构以促进电催化析氢(Journal of Energy Chemistry;通讯作者:河海大学黄华杰)

随着社会经济的发展,可再生能源的开发利用在应对能源危机和环境污染问题上变得越来越迫切。特别是,具有高能量密度的氢本质上是一种清洁燃烧的燃料,长期以来被认为是各种能源相关应用的理想能量载体。目前,氢的大规模生产主要通过几种工业方法实现,如煤气化、石油裂解和低温蒸馏。然而,这些方法通常需要极高的温度/压力和复杂的基础设施,这极大地增加了氢气的生产成本。电催化析氢反应(HER)技术代表了清洁能源发电和转化的发展趋势,而电极催化剂必将是电化学HER体系中的核心单元。

在此,展示了一种自下而上的方法来构建源自Ti3C2Tx的三维(3D)互连三元纳米结构MXene、石墨氮化碳纳米片和石墨烯(MX/CN/RGO)通过方便的共组装工艺。凭借具有超薄壁、大比表面积、优化的电子结构、高电导率的3D多孔框架,由此产生的MX/CN/RGO纳米结构表现出卓越的HER性能,起始电位仅为38 mV以及长寿命,所有这些都比裸Ti3C2Tx, g-C3N4更具竞争力、石墨烯以及二元MX/RGO 和CN/RGO电催化剂。理论模拟进一步验证了具有改善能带结构的三元MX/CN/RGO纳米结构能够促进电子传输,同时提供多级催化活性位点,从而保证电催化过程中的快速HER动力学。


8. 用于高性能锂硫电池的具有催化/吸附双重效应的3D网状GO-d-Ti3C2Tx MXene气凝胶(ACS Applied Materials & Interfaces;通讯作者:重庆大学魏子栋,李存璞)

随着对电动汽车、储能设备和便携式电子设备的需求不断增长,需要对可充电电池进行技术改进,使其比能量密度和容量达到更高水平。锂硫电池(LiSBs)具有较高的理论比能量密度和容量(分别为2567 W h kg1和1675 mA hg-1),得到了巨大的发展,被认为是替代锂的下一代储能电源。离子电池。然而,存在一些问题,尤其是反应中间体多硫化锂(LiPSs)的形成,严重阻碍了它们的应用。

在这里,报告了具有新型三维(3D)网状结构的GO-d-Ti3C2Tx MXene气凝胶,用作锂硫电池的硫主体正极材料,有利于吸附/催化转化多硫化锂(LiPSs)同时。溶解的LiPSs可以通过化学吸附被快速捕获,然后被d-Ti3C2Tx MXene上的低配位Ti催化成不溶性的Li2S表面。吸附和催化的结合极大地提高了LiSBs的容量和循环性能。在S质量负载为1.5 mg cm时,带有S@GM0.4复合电极的电池实现了出色的循环性能。1039 mA hg1 (1.56 mA h cm)的放电比容量在1000次循环后衰减至542.9 mA hg1,在0.5 C下每个循环的容量衰减率为0.048%。即使在4.88mg cm2 的 S 质量负载下,在 0.2 C下可实现4.3 mA h cm2的面积容量。


9. 使用可降解细菌纤维素/Ti3C2Tx MXene 生物气凝胶进行口腔保健的咬合力和局部气体释放评估(ACS Nano;通讯作者:中国科学院半导体研究所沈国震,王丽丽)

常见的牙病不仅会影响吞咽、说话等身体活动,还会损害心理健康。其中,咀嚼运动功能障碍严重影响人的生活质量。牙齿运动障碍(咀嚼功能退化)和由此导致的营养摄入不足可能导致心血管疾病。咬合力主要用于研究咀嚼力学和评估患者在正颌手术前后的咀嚼功能。在临床医学中,力传感器用于测量不同治疗阶段咬合力和咬合接触的动态变化。此外,它们为假肢装置的生物力学和治疗效果提供了参考。 因此,准确评估咬合力是治疗牙功能障碍的关键。由运动障碍和挥发性气体引起的牙齿疾病非常常见。检测咬合力的经典方法是有效的;但是,它的功能是一次性的而不是实时的监控,而且技术非常耗时。

在此,报告了一种多功能、灵活且可降解的细菌纤维素/Ti3C2Tx MXene生物气凝胶,用于准确检测咬合力和早期诊断牙周病。结合MXene的机械性能和细菌纤维素丰富的官能团,3D多孔生物气凝胶同时表现出压敏和氨(NH3) 敏感的反应。通过将这些物质集成到一个灵活的阵列中,由此产生的设备可以区分咬合力的强度、位置,甚至时间顺序;此外,它还可以提供NH3气体和闭塞力响应信号。因此,该技术在疾病诊断和口腔健康方面都有前景。此外,可再生生物材料的引入使生物气凝胶能够使用低浓度的过氧化氢溶液完全降解,使设备环保,满足可持续发展的需求。


10. 灵活、机械坚固且自熄的 MXene/木材复合材料,可有效屏蔽电磁干扰(Composites Part B: Engineering;通讯作者:浙江农林大学俞友明)

随着电子技术的飞速发展,各种电子和无线设备的许多应用已经变得不可抗拒。特别是X波段广泛应用于雷达、卫星、通信、计算机网络等诸多领域。电子设备和无线通信不可避免地以电磁波的形式向环境辐射能量,并在使用过程中产生电磁辐射。电磁波将与周围的电子设备的属性和信息安全干扰和产生电磁干扰(EMI),即使造成严重危害人类和其他生物体。电磁波可以通过电磁屏蔽材料转化为热能或消除。因此,开发优良的EMI屏蔽材料至关重要。然而,通过简单的方法构建基于生物质的高性能电磁屏蔽材料仍然存在挑战。

在此,基于MXene和脱木素木材,通过浸渍和致密化工艺构建了具有夹层结构的柔性MXene/木材复合材料 (F-MWC),用于EMI屏蔽应用。所得F-MWC显示出具有拉伸强度的机械性能68.1 MPa,由于更薄的厚度和高度排列的纤维素纳米纤维,与天然木材相比具有出色的柔韧性。由于MXene的阻燃和致密化处理的协同作用,它还显示出卓越的阻燃性能和自熄效应。此外,F-MWC具有1858 S m-1的高电导率并且在仅0.38毫米的厚度下具有32.7 dB的出色EMI屏蔽效率。此外,通过沿纤维方向交叉组合F-MWC组装的多层MXene/木材复合材料具有更好的EMI屏蔽效果和强度,使其在应用中更具可扩展性。该技术为生产用于电子设备、包装和现代建筑的木质EMI屏蔽材料提供了一种替代策略。


11. 在具有增强吸氢性能的 3D Ti3C2 MXene 折叠纳米片上进行纳米限制和原位催化的 MgH2 自组装(ACS Nano;通讯作者:上海交通大学邹建新)

氢具有环境友好、资源丰富、能量密度高等特点,被认为是人类社会可持续发展的主要能源载体。然而,由于缺乏安全高效的储氢方法,氢能的应用受到严重限制。在安全性和效率方面,将氢储存在固态材料中比高压气态和低温液体储存具有更大的优势。在固态储氢材料中,镁基氢化物因其高理论重量(7.6 wt%,MgH2)和体积氢容量、良好的可逆性、低成本、无毒和高安全性而受到广泛关注。不幸的是,MgH2的高热力学稳定性(ΔH f≈-76 kJ mol1 H2)和缓慢的脱/加氢动力学显着限制了其实际应用。MXenes 被认为是纳米限制 MgH2 /Mg以提高储氢性能的潜在载体材料。然而,由于MXenes上意外的表面终止(-OH、-O等)引起的堆叠和氧化问题,到目前为止它从未被实现。

在本研究中,十六烷基三甲基溴化铵用于构建折叠纳米片的3D Ti3C2Tx结构以降低薄片堆叠风险,并成功应用自下而上的自组装策略合成超分散的 MgH2纳米粒子锚定在退火的3D Ti3C2Tx表面(Ti-MX)。具有60 wt% MgH2NPs负载量的复合材料,60MgH2@Ti-MX,在140℃开始分解,并能够在 150℃下在2.5小时内释放3.0 wt% H2。此外,在200℃下循环60次后仍保持高达.0 wt% H2的可逆容量,而动力学没有明显损失。分解过程的原位高分辨率TEM观察以及其他分析表明,纳米限制引起的纳米尺寸效应以及MgH2 (Mg)和 Ti-MX之间的多相界面,尤其是原位形成的催化TiH2, 是导致优异吸氢性能的主要原因。

参考文献:

1. Guan Y, Zhao R, Cong Y, et al. Flexible Ti2C MXene film: Synthesis, electrochemical performance and capacitance behavior. Chemical Engineering Journal. 2021.

2. Huo X, Zhong J, Yang Z, Feng J, Li J, Kang F. In Situ Preparation of MXenes in Ambient-Temperature Organic Ionic Liquid Aluminum Batteries with Ultrastable Cycle Performance. ACS Appl Mater Interfaces. Nov 11 2021.

3. Cao Y, Guo Y, Chen Z, et al. Highly sensitive self-powered pressure and strain sensor based on crumpled MXene film for wireless human motion detection. Nano Energy. 2022;92.

4. Xu W, Li X, Peng C, et al. One-pot synthesis of Ru/Nb2O5@Nb2C ternary photocatalysts for water splitting by harnessing hydrothermal redox reactions. Applied Catalysis B: Environmental. 2022;303.

5. Yu L, Luo B, Zhou X, Liu Y, Lan F, Wu Y. In Situ Controllable Fabrication of Two-Dimensional Magnetic Fe3O4/TiO2@Ti3C2Tx Composites for Highly Efficient Phosphopeptides Enrichment. ACS Appl Mater Interfaces. Nov 11 2021.

6. Tetik H, Orangi J, Yang G, et al. 3D Printed MXene Aerogels with Truly 3D Macrostructure and Highly Engineered Microstructure for Enhanced Electrical and Electrochemical Performance. Adv Mater. Nov 10 2021:e2104980.

7. He H, Chen Y, Yang C, Yang L, Jiang Q, Huang H. Constructing 3D interweaved MXene/graphitic carbon nitride nanosheets/graphene nanoarchitectures for promoted electrocatalytic hydrogen evolution. Journal of Energy Chemistry. 2021.

8. Tang X, Gan R, Tan L, Tong C, Li C, Wei Z. 3D Net-like GO-d-Ti3C2Tx MXene Aerogels with Catalysis/Adsorption Dual Effects for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries. ACS Appl Mater Interfaces. Nov 9 2021.

9. Jin X, Li L, Zhao S, et al. Assessment of Occlusal Force and Local Gas Release Using Degradable Bacterial Cellulose/Ti3C2Tx MXene Bioaerogel for Oral Healthcare. ACS Nano. Nov 5 2021.

10. Jiang Y, Ru X, Che W, et al. Flexible, mechanically robust and self-extinguishing MXene/wood composite for efficient electromagnetic interference shielding. Composites Part B: Engineering. 2022;229.

11. Zhu W, Ren L, Lu C, et al. Nanoconfined and in Situ Catalyzed MgH2 Self-Assembled on 3D Ti3C2 MXene Folded Nanosheets with Enhanced Hydrogen Sorption Performances. ACS Nano. Oct 26 2021.

本文由春国供稿。

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