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笔记-MXene如何抗氧化

文章来源:北科新材 浏览次数:12时间:2020-08-10 QQ学术交流群:1092348845

研究背景

MXene由于独特的物化性质,得到广泛应用,涉及多个领域,通常得到的MXene水溶液易氧化,降解,使得MXene纳米片的独特性质丧失如何避免MXene的氧化,除了使用惰性气氛,低温冷藏,非水溶剂储存介质外,是否还有相关的化学调节手段,毕竟MXene具有良好的亲水性,为相关的湿化学反应提供了许多便利之处,更多的目标应用是从MXene水溶液出发若使用异丙醇等非水溶剂,对MXene的应用造成许多不便之处。鉴于此,本次将介绍MXene抗氧化工作


文献1

Antioxidants Unlock Shelf-Stable Ti3C2Tx (MXene) Nanosheet Dispersions

Matter 1, 513–526.

内容简介

传统的防止MXenes氧化的手段主要依靠低温(冰箱),创造无氧环境或填充氩气等,属于能量保护型且成效并不显著。众所周知,维生素C又称L-抗坏血酸,是一种常见的抗氧化剂,在食品和制药工程领域有广泛的应用。本文尝试将抗氧化剂引入MXenes纳米体系中,通过抑制氧化过程达到延长MXenes纳米片保存期的目的。发现将L-抗坏血酸引入Ti3C2Tx纳米片水溶液中,存放21天后,与相同的条件下无L-抗坏血酸保护的MXenes纳米片相比,其化学组成、形貌结构及胶体稳定性有着明显的区别。抗坏血酸保护的MXenes的纳米片的电导率要比未保护的高好几个数量级。通过一种分子动力学模拟(ReaxFF)的方法,对Ti3C2Tx与抗氧化剂之间的相互作用进行了分析,发现抗坏血酸根阴离子能够吸附在Ti3C2Tx纳米片的边缘,阻止了水分子对MXenes纳米片的作用,从而防止其氧化


文献2

Edge Capping of 2D-MXene Sheets with Polyanionic Salts To Mitigate Oxidation in Aqueous Colloidal Suspensions

Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 12655–12660.

内容简介

本文发现,类似于黏土,MXenes纳米片呈现电负性,而其边缘带正电荷,MXenes的氧化过程也是从边缘位置开始,向整个MXenes片的内部延伸。本文实验证明,用聚阴离子,例如聚磷酸盐,聚硅酸盐或聚硼酸盐将MXene薄片的边缘封装,即聚阴离子吸附在MXene边缘,可以降低其氧化倾向,即使在有氧的水中放置数周,其氧化也可以被抑制,此外在其他的一些重要的应用领域中,这些盐容易洗掉,不影响其应用。XPS分析结果表明,多磷酸的抑制效果最明显,只需0.1M就足以抑制MXene的氧化,于室温下可在水中放置3(无惰性气体保护,水溶剂,常温)。磷酸盐的另一个优势是低成本和绿色环保,甚至在工业规模上,是最有希望的长期储存MXene胶体的最优选


文献3

Excellent oxidation resistive MXene aqueous ink for micro-supercapacitor application

Energy Storage Materials 25 (2020) 563–571.

内容简介

MXenes在水性介质中的低稳定性限制了它们的长期存储和应用。在超声剥离多层MXenes时,加入了抗坏血酸钠(SA)来防止氧化,获得SA-MXene分散体。发现即使在室温下,暴露在空气中,存放80天也不会产生氧化,极大提高了MXenes的保质期寿命而不影响其导电性,并在微型超级电容器电极做了应用研究,这项工作再次突出了阴离子基团抑制氧化的潜在应用


文献4

Oxidation-resistant titanium carbide MXene films

J. Mater. Chem. A, 2020, 8,573

内容简介

相较于MXenes的水溶液,MXenes薄膜也有很广泛的应用前景,例如电磁屏蔽,传感器,透明导电薄膜等MXene薄膜场效应晶体管的物理性能会在潮湿的空气中遭到破坏,制备在潮湿空气,高温条件下,物理化学性能稳定的MXenes薄膜是十分有意义的。本文研究表明,通过氢气氛围,高温短时的退火处理,可以增加MXenes薄膜的抗氧化性能,并且,对于已经氧化的MXenes薄膜,可以进行部分程度的恢复工作。在氢气退火的过程中,层间水和一些官能团挥发,导致(002)特征峰从小角度移动到大角度,层间距从12.4A减小到10.1A。处理后的薄膜,在接触角方面也不同于原始的薄膜,对于原始的薄膜,一滴水洒落在上面,接触角刚开始的时候为42度,经过10s后,接触角为10度,表明部分水可以渗透MXenes片,而对于氢气退火处理的MXenes薄膜,接触角保持42度的时间可以超过1分钟。深层次的研究表明,退火处理的过程中,-OH,-F相对含量减少,-O相对含量增加,这也与曾经的研究结果一致相对于-OH-F官能团,-O官能团具有更好的热稳定性。为了评估相关薄膜的稳定性,进行了阻抗测试,由于氧化的影响,未处理的薄膜,以及低温氢气退火的薄膜,其曲线几乎重合,其电阻值随时间的增加而几何级地增加,不到15h,其值超过105次方的数量级,在XRD图谱中看到了二氧化钛成分,表明有所氧化。而900摄氏度高温处理的薄膜,其值比较稳定,经过2后,仅为1.9。因此,高温氢退火赋予MXene薄膜极大的抗氧化性,即使浸入水中1薄膜的电阻值几乎没有变化。SEM测试表明,两种薄膜的微观形貌也有很大的不同之处。氢气退火处理的薄膜的表面非常光滑,没有任何显著分布颗粒。未处理的薄膜,表面粗糙,在放大的图像中具有明显的多孔特征,表明片层已被破坏,表面的大部分都变成了氧化物。


文献5

Covalent stabilization and functionalization of MXene via silylation reactions with improved surface properties

FlatChem 17 (2019) 100128

内容简介

化学改性被认为是控制材料表面特性的有效方法,作为常见的偶联剂,甲硅烷基化试剂已广泛用于调节各种材料的界面和表面性质。得益于上述启发,在先前报道的LiFHCl蚀刻方法以及随后的超声剥离工艺之后,本文对MXene进行了改性,分层的MXenes纳米片通过各种甲硅烷基化试剂与MXenes在乙醇中反应(a) MXenes的降解程度可以根据样品的吸光度变化通过UV-Vis测量来测量(图b)。在室温下氧化6天后,获得了氧化MXenes,与新鲜MXenes相比,在320-800nm波长处吸光度明显降低。值得注意的是,经过甲硅烷基化反应处理的MXenesAPTES-MXene)的吸收强度与新鲜MXenes的吸收强度几乎相同,表明氧化过程确实被表面改性所抑制。冷冻干燥相关MXenes溶液后,通过SEM也可以检测到MXenes的结构完整性(图c-e)。改性的MXenes与新鲜的MXenes相同,在湿度为100%的大气中经过15天的氧化处理后,显示出明显且均匀的纳米薄片。然而,由于氧化,未改性的MXenes变得粗糙。插图是相关的冷冻干燥样品的照片,氧化后的MXenes是白色的,这可能是TiO2形成的结果

3篇文章结论有相似之处,甚至在广义上结论是一致的:聚阴离子基团吸附在MXenes片边缘(因为MXenes边缘呈正电,可以吸附甚至封装),阻止水分子的作用,从而防止MXenes的氧化

MXenes降解过程是在每个MXenes纳米片间独立进行的,片径小MXenes纳米片,其氧化过程进行得更快

MXenes的氧化开始于薄片边缘,然后向内进行,遵循单指数衰减行为,化学通式Mn+1Xn中,n值越小,越易氧化。

MXene胶体溶液存储在Ar饱和水溶液中,冰箱中冷藏,可以提高其稳定性和时间常数

是水而不是氧在MXene降解过程中起关键作用,MXene保存需要隔离水分子的作用(隔离水分子作用并不意味地使用非水溶剂)

常规制备的MXenes纳米片表面呈电负性,边缘带正电荷,加入聚阴离子基团,可以防止MXenes的氧化。

信息来源:MXene笔记


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