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什么是MXene?

文章来源:北科新材 浏览次数:30时间:2020-08-10 QQ学术交流群:1092348845

MXenes于2011年首次发现,是包含最大的二维(2D)材料族之一的陶瓷。
MXene由称为MAX的块状晶体制成。在此发现之前,预计不存在源自MAX或非MAX相的2D分层材料。与大多数2D陶瓷不同,MXene具有固有的良好导电性和出色的体积电容,因为它们是由过渡金属(如钛)的碳化物和氮化物制成的分子片。MXenes已经发现了从能量存储到医学和光电子学的应用。
使MXene如此有趣的原因是,这种材料类别可能包括数百万种可能的过渡金属(如钼或钛),碳和氮的排列。诀窍是找到稳定的对象。
通过使用高通量计算平台并扫描成千上万种合金构型的形成能,研究人员估计,仍有超过一百万种稳定的MXene化合物尚待发现(ACS Nano有序构型的高通量调查”跨组分和温度的MXene合金”)。
 MXene-脱落纳米片的扫描电子显微照片
剥离的MXene纳米片的扫描电子显微照片。(图片:德雷克塞尔大学Babak Anasori)

MAX阶段

有大量的三元碳化物(三元是形容词,意思是“由三个组成”),通式为M n + 1 AX n,其中n = 1-3,M表示过渡金属,A是诸如以下的元素铝或硅,X为碳或氮。研究人员将这些可延展的和可加工的陶瓷称为MAX相
由于它们的分层结构,这些材料在变形过程中会扭结和分层,并且还表现出不同寻常的(有时是独特的)特性组合。他们不确定是金属还是陶瓷。尽管它们像金属一样传导热量和电流,但它们却像陶瓷一样具有弹性,坚固,易碎和耐热。它们具有抗化学侵蚀,易于加工,抗热冲击,耐损伤,有时耐疲劳,蠕变和抗氧化的能力。

MXene发现

众所周知,二维(2D)结构(例如石墨烯和二硫化钼)具有独特的性能。因此,拥有一系列具有广泛化学性质的2D结构家族,可以为更好地了解2D和3D材料之间的性能差异打开一扇门,从而可以确定2D碳化物,氮化物,碳氧化物和其他相关结构的有用特性,最终导致新的应用。
MAX相已进行了多年研究,已经合成了数十种具有各种特性的层状碳化物,氮化物和碳氮化物。
但是,直到研究人员在室温下将钛铝碳化物(Ti 3 AlC 2)粉末置于氢氟酸中以选择性去除铝之前,这些陶瓷一直都是三维材料这种化学过程的结果-称为剥落-基本上会扩散层状碳化物材料,并产生二维Ti 3 C 2纳米片,此后被称为MXene,类似于石墨烯。
在2011年《先进材料》“通过Ti 3 AlC 2剥离产生二维纳米晶体)论文中,研究人员首先展示了这种将三维钛铝碳化物(MAX相的典型代表)转化为二维的能力。具有极大不同特性的结构。

如何制作MXene

MXene是通过有选择地从MAX分层相中去除铝而生成的。通过这种剥落过程,碳化物层被分离成只有几个原子厚的两个MXene片。MXene可以通过称为插入的过程在其层之间容纳各种离子和分子,这有时是开发材料独特性能的必要步骤。
例如,已经证明在MXene片之间放置锂离子使其成为锂离子电池和电化学电容器的有前途的材料。
为了合成独立的MXene薄片,德雷塞尔大学的研究团队从2011年开始使用酸改进了其初始技术,这种酸被称为最低强度层剥离(MILD)。他们用氟化物盐和盐酸的蚀刻剂处理了MAX块,以选择性地去除碳化钛层之间不需要的铝层。
然后,他们手动摇动蚀刻的材料,以分离并收集碳化钛层。每层是五个原子厚,由结合三个钛片的碳原子制成。蚀刻和剥落MAX会产生许多这些独立的MXene层。这种相对简单的技术可以实现大规模生产。
从那以后,不断的探索表明它们具有出色的存储能量,阻止电磁干扰,净化水甚至抵御细菌的能力。而且,正如最近的研究表明,MXenes也非常耐用 -同类中最坚固的材料。
尽管存在许多可能的MXene合金成分,但大多数不稳定。材料科学家面临的挑战是如何有效地扫查大量合金构型,以识别具有最低形成能并因此具有最高稳定性的合金。常规的“第一原理”计算方法在计算上过于密集,以至于这种扫描不可行。
一个高通量扫描的MXenes可能的组成为研究人员从数百万种可能的材料配方挑选最佳人选宝贵的方向。

MXene的用途和应用

MXene可用于储能设备,例如锂离子电池的电极,伪电容器等。研究人员还设想了其作为复合材料的增强材料的用途,类似于粘土或石墨烯,可提高机械性能并降低聚合物的透气性。多种表面化学性质,过渡金属氧化物的存在和高表面积使MXene对于催化应用具有潜在的吸引力。

脱盐和废水处理

该材料的卓越性能为MXenes的海水淡化和废水处理打开了新的可能性令人兴奋的发现是,Ti 3 C 2可以捕集阳光能量,通过蒸发以最先进的能量效率净化水。
为了研究MXene在水净化方面的可能性,研究人员制造了带有聚苯乙烯隔热层的薄而柔软的Ti 3 C 2膜,以防止热能逸出。这创建了一个系统,该系统可以在自然阳光的照度下漂浮在水上,并以84%的效率蒸发一些水。

电池技术与储能

计算研究表明,将某些MXene完全剥落或分层会产生具有优异充电容量的层,可用于电池阳极。在一份报告中,科学家证明了MXene与几种有机分子的成功插入,包括二甲基亚砜(DMSO),这使它们能够将堆叠的层完全剥落成MXene片材,并最终通过过滤溶液中的薄片来制成MXene“纸”
这种柔性导电纸显示出的锂离子容量是典型MXene材料的四倍,具有极高的充电速率,并且循环性能优于商用锂离子电池中使用的石墨。至关重要的是,这项工作证明了这种材料可以大规模合成。
研究人员还开发了采用MXene材料的新电极设计,该设计可使电池充电更快。他们的设计可以使像电池那样的能量存储设备被视为能量存储技术的加油卡车,其速度与用于在紧要关头提供能量的快速超级电容器一样快-通常用作电池的后备或快速爆炸。像闪光灯一样的能量。
MXene电极
使用MXene材料的新电极设计将使电池充电更快。关键是微孔设计,允许离子快速还原氧化活性位。图片:德雷塞尔大学)

摩擦电纳米发电机

研究人员证明,MXenes可用于收集浪费的摩擦能,例如,在打字或行走时从肌肉收缩中获取能量MXene具有高电导率以及与聚合物和其他材料接触时吸收电子的能力。
这种不寻常的特性组合使它们可用作摩擦发电纳米发电机(TENG)的组件,该发电机将肌肉运动转化为电能。研究表明,这些先进材料可以整合到手机,手持电子设备,可穿戴设备和笔记本电脑中,最终使它们具有自供电功能。

导电涂料

MXenes已用于开发机械坚固的导电涂层,该涂层可在剧烈拉伸和弯曲下保持性能。这项研究利用了这样的事实,即MXene多层涂层可以经受大规模的机械变形,同时保持高水平的导电性。在这项工作中,研究人员还成功地将MXene多层涂层沉积在柔性聚合物片材,可拉伸有机硅,尼龙纤维,玻璃和硅上。

传感器和化学鼻

看起来MXene是有史以来敏感的气体传感器之一。这项研究意义重大,因为它扩大了常见气体的检测范围,使我们能够检测到以前无法检测到的非常低的浓度。
研究发现表明,MXene可以吸收痕量溃疡和糖尿病的化学物质,例如氨和丙酮,其痕量远低于目前在医学诊断中使用的传感器。

与常规传感器材料相比,MXene的优势在于其多孔结构和化学成分。该材料既能使气体分子在其表面上移动又能吸附或吸附某些被化学吸引的分子,从而显示出良好的选择性。

信息来源:nanowerk


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