作為二維過渡金屬碳化物、及s進(jìn)氮化物和碳氮化物，展匯總材MXenes近年來引起了廣泛的料牛關(guān)注，其高導(dǎo)電性、及s進(jìn)大比表面積和表面物化性質(zhì)的展匯總材多功能性，使得其在儲(chǔ)能、料牛催化、及s進(jìn)可穿戴器件和電磁屏蔽等領(lǐng)域大放異彩。展匯總材
享有“MXene之父”美譽(yù)的料牛美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授，近些年來始終圍繞MXene材料制備、及s進(jìn)性質(zhì)調(diào)控和應(yīng)用探索展開研究。展匯總材根據(jù)其課題組網(wǎng)站顯示，料牛2020年發(fā)表和合作發(fā)表研究論文64篇。及s進(jìn)本期編輯就選取在不同領(lǐng)域具有代表性的展匯總材研究工作，做一歸納和分享。料牛
一. 材料制備和性質(zhì)表征
1. Adv. Eng. Mater.: Ti3C2TxMXene的批量合成
2D材料的大規(guī)模生產(chǎn)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)原因是制備過程通常基于自下而上的方法，因此將生產(chǎn)規(guī)模局限于化學(xué)合成的容器尺寸或者前驅(qū)體利用率。與之相反，MXenes是一大類2D過渡金屬碳化物和/或氮化物，通過自上而下的合成方法生產(chǎn)。因此，選擇性濕法蝕刻工藝不像其他一些2D材料那樣具有類似的合成限制。反應(yīng)發(fā)生在整個(gè)體積內(nèi)，該方法可以很容易地根據(jù)反應(yīng)器體積進(jìn)行調(diào)整。在此，美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授團(tuán)隊(duì)以1g和50g兩種批量為例，研究了2D碳化鈦MXene (Ti3C2Tx)的合成，以確定大體積合成是否影響MXene片的最終結(jié)構(gòu)或組成。使用掃描電子顯微鏡、X射線衍射、動(dòng)態(tài)光散射、拉曼光譜、X射線光電子光譜、紫外-可見光譜和電導(dǎo)率測(cè)量對(duì)生產(chǎn)的MXene的形態(tài)和性能進(jìn)行表征，表明兩種批量生產(chǎn)的材料基本相同。這表明，當(dāng)按比例合成時(shí)，MXenes在結(jié)構(gòu)或性質(zhì)上沒有變化，這暗示進(jìn)一步的放大和商業(yè)化是可行的。
圖1 MXene合成示意圖和1L MXene反應(yīng)器。
文獻(xiàn)鏈接：Scalable Synthesis of Ti3C2TxMXene
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adem.201901241
2. Chem. Mater.：Ti3C2TxMXene結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)的拉曼光譜分析
拉曼光譜是分析二維材料最有用的工具之一。雖然MXenes是2D過渡金屬碳化物和氮化物的一個(gè)非常大的家族，但是對(duì)這個(gè)類材料的拉曼研究很少。在此，美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了對(duì)最廣泛使用和最重要的Ti3C2TxMXene材料的系統(tǒng)研究。通過不同方法合成材料，發(fā)現(xiàn)Ti3C2Tx的拉曼光譜不僅受組成和表面基團(tuán)的影響，還受插層物質(zhì)和堆積的影響。由于785 nm附近存在Ti3C2Tx等離子體峰值，實(shí)現(xiàn)了共振條件，使得能夠在用紅色二極管激光器激發(fā)時(shí)，在120 cm-1處觀察到額外的峰值。作者報(bào)告了從Ti3C2Tx的單個(gè)薄片、膠體溶液和多層膜中收集的拉曼光譜的差異。最后，作者展示了不希望的光致發(fā)光背景可作為材料降解的證據(jù)，導(dǎo)致了缺陷二氧化鈦和無定形碳的形成。這項(xiàng)研究展示了拉曼光譜如何用于表征重要的新興2D材料MXenes。
圖2 Ti3C2Tx合成和拉曼峰分配。
文獻(xiàn)鏈接：Raman Spectroscopy Analysis of the Structure and Surface Chemistry of Ti3C2TxMXene
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c00359?ref=pdf
3. Adv. Opt. Mater.：二維過渡金屬碳化物的寬色度范圍
MXenes是一類相對(duì)較新的2D材料，包括過渡金屬碳化物和氮化物。龐大的MXene族的化學(xué)成分跨越了元素周期表的很大范圍，然而僅有少數(shù)MXene成分的光譜被報(bào)道，并且只有一個(gè)例子指定了光譜特征。美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授和Aaron T. Fafarman合作，研究了九種MXene碳化物的光學(xué)性質(zhì)，涵蓋了化學(xué)成分和原子結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)變化。觀察到的光學(xué)現(xiàn)象跨越紫外到紅外，包括帶間躍遷和等離子體激發(fā)。涉及等離子體激發(fā)的光譜特征，提供了依賴于成分的載流子濃度的光學(xué)讀數(shù)，揭示了由于表面化學(xué)的改變而導(dǎo)致的細(xì)微變化。許多MXene中發(fā)現(xiàn)的高載流子濃度使它們不同于其它已知的2D材料，作者提出了支持MXenes宿主從紫外到近紅外的光學(xué)活性等離子體共振假說的證據(jù)，且該現(xiàn)象與組成有關(guān)。這項(xiàng)研究介紹了新型MXenes的光學(xué)特性，有利于闡釋2D材料光譜學(xué)，并暗示了這類光電子材料的巨大潛力。
圖3 MXene膠體和薄膜的顏色。
文獻(xiàn)鏈接：The Broad Chromatic Range of Two-Dimensional Transition Metal Carbides
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adom.202001563
二. 儲(chǔ)能應(yīng)用
1. Adv. Energy Mater.：高倍率電容器用MXene材料離子通道的優(yōu)化
堆疊的2D材料中延長的離子傳輸路徑，極大地限制了致密膜電極的電化學(xué)性能(質(zhì)量負(fù)載>10 mg cm-2)。納米材料的插入和3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等典型策略，降低了Ti3C2Tx電極的體積電容，從而削弱Ti3C2Tx相對(duì)于其他電極材料的主要優(yōu)勢(shì)。基于此，美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授、南方科技大學(xué)Baomin Xu和北京大學(xué)Feng Pan合作，提出了一種新穎、簡便、可控的硫酸氧化方法，用于解決Ti3C2Tx薄膜的重新堆疊問題，該薄膜幾乎不含二氧化鈦等非活性副產(chǎn)物。Ti3C2Tx薄膜中的分級(jí)離子“高速公路”傳輸路徑，是基于多孔結(jié)構(gòu)、原子級(jí)別層間間距增加，以及薄片尺寸的減小。結(jié)果，獲得了具有高體積電容的超高倍率性能。對(duì)于約1.1 μm厚的Ti3C2Tx薄膜，當(dāng)掃描速率從5 mV s-1增加到10000 mV s-1時(shí)，電容保持率為64%(208 F g-1/756 F cm-3)。即使在超過12 mg cm-2(48 μm厚)的較高質(zhì)量負(fù)載下，倍率能力仍可與低質(zhì)量負(fù)載(1 mg cm-2)的未優(yōu)化Ti3C2Tx電極相比。因此，對(duì)于路徑優(yōu)化的厚Ti3C2Tx膜，實(shí)現(xiàn)了≈3.2 F cm-2的高面電容，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
圖4 Ti3C2Tx納米片的刻蝕過程和獲得的分級(jí)納米孔結(jié)構(gòu)的示意圖。
文獻(xiàn)鏈接：Optimizing Ion Pathway in Titanium Carbide MXene for Practical High-Rate Supercapacitor
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202003025
2. Nat. Commun.: MXene打結(jié)碳納米管復(fù)合電極的離子可及性最大化
提高電化學(xué)儲(chǔ)能裝置電極中離子的可及性，對(duì)于電荷存儲(chǔ)和倍率性能至關(guān)重要。特別是，有機(jī)電解質(zhì)中的離子遷移動(dòng)力學(xué)是緩慢的，尤其是在低工作溫度下。在此，華中科技大學(xué)徐鳴教授和美國雷克塞爾大學(xué)Yury Gogotsi合作，報(bào)道了一種新型的MXene-碳納米管復(fù)合電極，可最大限度地提高了離子的可及性，從而在低溫下具有優(yōu)異的倍率性能。通過使用特殊設(shè)計(jì)的打結(jié)碳納米管，打破了MXene Ti3C2傳統(tǒng)二維水平排列，改善低溫下的離子傳輸。打結(jié)的碳納米管中的大節(jié)狀結(jié)構(gòu)，阻止了Ti3C2薄片的重新堆疊，并產(chǎn)生了快速的離子傳輸路徑。MXene打結(jié)碳納米管復(fù)合電極在有機(jī)電解質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了高電容(高達(dá)130 F g-1(276 F cm-3))，在10 mV s-1至10 V s-1的寬掃描速率范圍內(nèi)，具有高電容保持率。這項(xiàng)研究也是第一個(gè)在低溫(低至-60℃)下，使用MXene基超級(jí)電容器的報(bào)告。
圖5 設(shè)計(jì)MXene打結(jié)碳納米管復(fù)合電極，實(shí)現(xiàn)離子的快速傳輸。
文獻(xiàn)鏈接：Maximizing ion accessibility in MXene-knotted carbon nanotube composite electrodes for high-rate electrochemical energy storage
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19992-3
3. Energy Storage Mater.: Ti3C2Tx低溫贗電容性能
相比于雙電層電容器，使用贗電容電極材料可以儲(chǔ)存更多的能量。然而，只有少數(shù)贗電容材料能夠在低溫下保持優(yōu)異的性能，這限制了它們?cè)趷毫託夂驐l件下的應(yīng)用。在此，美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授和江蘇大學(xué)Jianning Ding合作，證明了一個(gè)具有二維過渡金屬碳化物(MXene)電極的偽贗電容器，可以像雙電層電容器一樣表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能。在2D MXene片之間含有電解質(zhì)，即使在低溫下，電解質(zhì)離子可以不受阻礙地到達(dá)氧化還原活性位點(diǎn)，并與表面氧基團(tuán)發(fā)生快速相互作用。結(jié)合40 wt.%硫酸溶液作為電解質(zhì)，MXene電極的工作溫度可達(dá)到-60 ℃。在低掃描速率下, 該電極表現(xiàn)出對(duì)溫度不敏感的性能，當(dāng)溫度從20℃降至-50℃時(shí)，MXene的容量幾乎保持不變。此外，在-50 ℃時(shí)，MXene電極在100 mAh s-1下表現(xiàn)出> 75%的高容量保持率，顯示出良好的低溫倍率性能。有趣的是，在-60℃時(shí)具有1.5 V的寬工作電位窗口。這種優(yōu)異的低溫性能表明，MXene在低溫贗電容儲(chǔ)能應(yīng)用中具有極大潛力。
圖6 濕MXene薄膜制作工藝示意圖。
文獻(xiàn)鏈接：Low-Temperature pseudocapacitive energy storage in Ti3C2TxMXene
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829720303329
三. 催化應(yīng)用
1. ACS Nano：高效電催化析氫的2H-MoS2/Mo2CTx納米雜化材料
開發(fā)高效、耐用的析氫反應(yīng)催化劑對(duì)氫資源的利用至關(guān)重要。2D MXenes家族的成員，特別是Mo2CTx，最近被確定為有希望的HER催化劑。然而，它們?cè)诳諝夂碗娊赓|(zhì)水溶液中固有的氧化不穩(wěn)定性，阻礙了它們的廣泛應(yīng)用。在此，美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授、賓夕法尼亞大學(xué)Aleksandra Vojvodic和新加坡科技研究局Zhi Wei She合作，提出了一種簡單、可擴(kuò)展的方法，通過原位硫化來避免Mo2CTxMXenes的氧化，以形成Mo2CTx/2H-MoS2納米雜化物。Mo2CTx/2H-MoS2納米混合界面處的緊密外延耦合，提供了優(yōu)異的HER活性，僅需要119或182 mV的過電位就可分別產(chǎn)生-10或-100 mA cm-2geom的電流密度。密度泛函理論計(jì)算表明，與物理吸附納米雜化物相比，該納米雜化物結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)界面粘附，并且通過控制MXene硫化的程度來調(diào)節(jié)HER超電勢(shì)。至關(guān)重要的是，2H-MoS2的存在抑制了MXene層的進(jìn)一步氧化，使納米雜化材料能夠維持超過-450 mA cm-2geom的工業(yè)級(jí)別電流密度，并具有出色的耐用性。在固定的-10 mA cm-2geom電流密度或100000個(gè)連續(xù)循環(huán)伏安循環(huán)下，連續(xù)電解10天后，觀察到低于30mV的過電位衰減。Mo2CTx/2H-MoS2納米雜化材料卓越的HER耐久性，為實(shí)現(xiàn)MXenes作為無貴金屬催化劑在水分解和能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用邁出了重要一步。
圖7 d-Mo2CTx原位硫化生成Mo2CTx/2H-MoS2納米雜化材料。
文獻(xiàn)鏈接：2H-MoS2on Mo2CTx MXene Nanohybrid for Efficient and Durable Electrocatalytic Hydrogen Evolution
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08671?ref=pdf
四. 可穿戴設(shè)備
1. Adv. Funct. Mater.: 可穿戴應(yīng)變感應(yīng)織物用MXene復(fù)合物和共軸纖維
將具有高導(dǎo)電性的納米材料整合到可拉伸聚合物纖維中，可以實(shí)現(xiàn)新的功能，例如感應(yīng)物理變形。二維碳化鈦MXene的金屬導(dǎo)電性超過了其他液相處理的納米材料，是生產(chǎn)導(dǎo)電和可拉伸纖維的一種極具吸引力的材料。在此，美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授、Shayan Seyedin和澳大利亞迪肯大學(xué)Joselito M. Razal合作，將可擴(kuò)展的濕法紡絲技術(shù)用于生產(chǎn)Ti3C2TXMXene/聚氨酯復(fù)合纖維，該纖維顯示出高導(dǎo)電性和高拉伸性。實(shí)驗(yàn)證明，電導(dǎo)率滲透閾值非常低，僅有~1 wt%，這低于以前報(bào)道的MXene基聚合物復(fù)合材料。當(dāng)用作應(yīng)變傳感器時(shí)，MXene/聚氨酯復(fù)合纖維顯示出~12900的高規(guī)格因子(50%應(yīng)變時(shí)為~238)和~152%的大傳感應(yīng)變。通過使用同軸濕紡工藝，生產(chǎn)具有MXene/聚氨酯外皮和純PU芯的纖維，其循環(huán)應(yīng)變傳感性能得到進(jìn)一步改善。使用商業(yè)規(guī)模的針織機(jī)，將MXene/聚氨酯纖維編織成一體式肘部套，可以跟蹤佩戴者肘部的各種運(yùn)動(dòng)。本研究確立了對(duì)MXene在彈性復(fù)合材料中行為的基本見解，并提出了實(shí)現(xiàn)MXene基纖維和紡織品的策略，該纖維和紡織品具有適用于健康、運(yùn)動(dòng)和娛樂的應(yīng)變傳感特性。
圖8 MXene/聚氨酯纖維紡絲工藝示意圖。
文獻(xiàn)鏈接：MXene composite and coaxial fibers with high stretchability and conductivity for wearable strain sensing textiles
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910504
2. Small：連續(xù)、可伸縮和多功能的MXene滲透納米紗線
許多電子紡織品應(yīng)用都需要可拉伸的電活性紗線，包括儲(chǔ)能、軟機(jī)器人和傳感。然而，使用目前的方法來生產(chǎn)這些紗線，實(shí)現(xiàn)高負(fù)載的電活性材料，同時(shí)達(dá)到拉伸性是一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。在此，美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種一步濕法靜電紡絲技術(shù)，以有效地實(shí)現(xiàn)連續(xù)尼龍和聚氨酯納米纖維紗線與Ti3C2TxMXene薄片的復(fù)合。MXene含量高達(dá)約90 wt%，所得MXene/尼龍納米紗線表現(xiàn)出高導(dǎo)電性(高達(dá)1195 S cm-1)。通過改變薄片尺寸和MXene濃度，納米紗線實(shí)現(xiàn)了高達(dá)43%(MXene/尼龍)和263%(MXene/聚氨酯)的拉伸性。MXene/尼龍納米線電極在飽和LiClO4電解液(440 F cm-3，5 mV S-1)中提供高比電容，具有1.25V的寬電壓窗口和高倍率性能。作為應(yīng)變傳感器，MXene/聚氨酯紗線表現(xiàn)出寬的傳感范圍、高靈敏度和低漂移。利用聚合物納米纖維的可拉伸性和MXene的電學(xué)、電化學(xué)特性，MXene基納米紗線在廣泛的應(yīng)用中顯示出潛力，包括可拉伸電子器件和身體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。
圖9 MXene滲透納米紗線的制備示意圖。
文獻(xiàn)鏈接：Bath Electrospinning of Continuous and Scalable Multifunctional MXene-Infiltrated Nanoyarns
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202002158
四. 其他領(lǐng)域
1. Science: 2D過渡金屬碳氮化物Ti3CNTx(MXene)對(duì)電磁波的異常吸收
需要輕質(zhì)、超薄和柔性的電磁干擾屏蔽材料，來保護(hù)電子電路和便攜式電信設(shè)備，以消除設(shè)備和設(shè)備組件之間的串?dāng)_。在此，韓國科學(xué)技術(shù)院Chong Min Koo和美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授合作，發(fā)現(xiàn)具有中等電導(dǎo)率的二維(2D)過渡金屬碳氮化物Ti3CNTxMXene，與相同厚度的更高導(dǎo)電率的Ti3C2Tx或金屬箔相比，提供了更高的屏蔽效果。Ti3CNTx的這種出色的屏蔽性能，歸因于其層狀超材料狀結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的異常高的吸收。該研究結(jié)果為設(shè)計(jì)先進(jìn)的電磁干擾屏蔽材料提供了指導(dǎo)，但也強(qiáng)調(diào)了探索電磁波與2D材料相互作用機(jī)制的必要性。
圖10 不同材料間電磁干擾屏蔽效果。
文獻(xiàn)鏈接：Anomalous absorption of electromagnetic waves by 2D transition metal carbonitride Ti3CNTx(MXene)
https://science.sciencemag.org/content/369/6502/446.abstract
2. ACS Nano：MXene吸附尿毒癥毒素實(shí)現(xiàn)透析液再生
COVID-19大流行已成為一場(chǎng)重大的全球性危機(jī)。盡管呼吸系統(tǒng)癥狀是這種疾病的一個(gè)關(guān)鍵特征，但許多因COVID-19住院的人也遭受急性腎損傷，這種情況會(huì)加劇患者的死亡率，可能必須通過連續(xù)腎臟替代方法進(jìn)行治療。在疾病大流行期間，對(duì)醫(yī)院容量的關(guān)注主要集中在呼吸機(jī)是否數(shù)量充足上。然而，在這場(chǎng)流行病中，醫(yī)院的透析治療用品，包括透析液，也少得可憐。因此，迫切需要開發(fā)能夠有效和快速再生透析液、去除毒素和恢復(fù)電解質(zhì)濃度的材料，以使這一重要資源保持充足提供。在此，美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授團(tuán)隊(duì)將Ti3C2Tx，一種已知能有效吸附尿素的二維過渡金屬碳化物(MXene)，用于從水溶液和透析液中去除肌酐和尿酸，最大吸附量分別為45.7和17.0 mg g-1。系統(tǒng)地分析和模擬了吸附動(dòng)力學(xué)、等溫線和熱力學(xué)，從而確定了限速步驟和吸附機(jī)理。作者設(shè)計(jì)了一個(gè)裝有Ti3C2Tx的固定床柱，以進(jìn)一步評(píng)估連續(xù)流體流動(dòng)條件下的吸附性能，反映連續(xù)腎臟替代治療方法的條件。計(jì)算最大容量和50%穿透體積，以進(jìn)一步逐漸實(shí)現(xiàn)Ti3C2Tx在清除尿毒癥毒素方面的應(yīng)用。該研究的發(fā)現(xiàn)表明，Ti3C2Tx具有作為透析液再生的有效吸附劑的潛力，通過去除過濾的毒素加速透析液再生，實(shí)現(xiàn)更便攜的透析設(shè)備制造。
圖11 Ti3C2Tx、肌酐和尿酸的示意圖和它們之間的吸附過程。
文獻(xiàn)鏈接：Adsorption of Uremic Toxins Using Ti3C2TxMXene for Dialysate Regeneration
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04546?ref=pdf
3. Adv. Mater.：Ti3C2TxMXene天線用于射頻通信
由于5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代便攜式和可穿戴電子設(shè)備的爆炸式增長，對(duì)高度集成、柔性和超薄的無線通信組件需求很大，但迄今為止，只有傳統(tǒng)金屬滿足新興射頻設(shè)備的要求。在此，美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種Ti3C2TxMXene微帶傳輸線，具有低能量衰減，貼片天線具有5.6到16.4 GHz頻率的高功率輻射。在16.4 GHz下，由水溶液噴涂制造的5.5 μm厚的MXene貼片天線的輻射效率達(dá)到99%，大約等于標(biāo)準(zhǔn)的35 μm厚的銅貼片天線的輻射效率，大約為其厚度的15%和銅重量的7%。迄今為止，MXene的性能優(yōu)于所有其他貼片天線材料。此外，還證明了在共形表面上，具有集成饋電電路的MXene貼片天線陣列在28 GHz下具有與銅天線陣列相當(dāng)?shù)男阅埽@是實(shí)際5G應(yīng)用中的目標(biāo)頻率。MXene天線在寬頻率范圍內(nèi)的多功能性，加上其柔性和制備方法的可擴(kuò)展、易實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，使MXene有望在各種柔性電子設(shè)備中用作集成射頻部件。
圖12 面向射頻應(yīng)用的MXene貼片天線。
文獻(xiàn)鏈接：Solution-Processed Ti3C2TxMXene Antennas for Radio-Frequency Communication
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202003225
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