2020年Nature子刊上的MXene表现如何？

先丰纳米 2022-11-09

MXene在2020年的各大顶刊上表现突出，小丰从2020年下半年出版的Nature Communications上挑选出了3篇具有代表性的文章，让我们一起看看MXene到底是如何后来居上的！

一、大规模制备超高导电、无添加剂的纯MXene纤维

将2D的纳米材料组装成一维（1D）的纤维是将纳米材料宏观化的一个重要进展，湿法纺丝是常用的方法之一。然而对于MXene材料而言，由于其片层较小，层间作用力差，通过湿法纺丝的方法制备的纯MXene纤维自支撑结构差，从而限制了一维MXene纤维的应用。为了解决这些问题，韩国汉阳大学的Tae Hee Han教授课题组报道了一种通过湿法纺丝法实现连续可控制备的无添加剂、无粘合剂、无复合的超高电导率的MXene纤维。该研究成果以“Large-scale wet-spinning of highly electroconductive MXene fibers” 为题发表在Nature Communications上。
该团队利用LiF/HCl湿法刻蚀法将Ti₃C₂Tx MAX中的Al刻蚀掉，经过后续的水洗离心过程制备出大片的Ti₃C₂Tx MXene纳米片（平均面积5.11 μm²）。在高浓度的MXene纺丝液中加入NH4离子成功制备出高电导率（7713 S/cm）且接近1米长的MXene纤维。高导电的MXene纤维可以点亮LED灯及替代耳机线。该项工作提供了一种连续大规模生产高性能MXene纤维的方法，有望用于柔性、便携、可穿戴的微型电子设备。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16671-1

碳化钛(Ti₃C₂Tx) MXene少层分散液

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碳化钛(Ti₃C₂Tx) MXene少层分散液（NMP）

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钛碳化铝(Ti₃AlC₂) MAX相陶瓷材料

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二、MXene功能化rGO获得超高韧性石墨烯片

柔性还原氧化石墨烯(rGO)薄片有望应用于便携式电子设备和柔性能源存储系统。然而由于rGO片较差的机械性能和电导率，制约了其发展。近日，北京航天航空大学等研究人员使用MXene(M)纳米片对rGO片晶通过Ti-O-C共价键进行功能化，获得的MXene功能化石墨烯(MrGO-AD)片显示出超高的韧性、高的断裂应变，同时抗拉强度和导电性也得到了相应提高。相关论文以题为“Super-tough MXene-functionalized graphene sheets”发表在Nature Communications上。
研究人员通过同时对MXene和GO进行剥离反应形成Ti-O-C共价键。GO经过还原后，在相邻rGO片晶之间通过共轭分子(1-氨基戊二烯(AP)-辛二酸二琥珀酰亚胺酯, AD)形成了π-π桥相互作用。MXene-功能化石墨烯(MrGO-AD)片中存在着Ti-O-C共价键和π-π桥接的协同界面交互作用，这种协同作用降低了rGO片层间的孔隙率，增加了有序度，从而使其表现出超高的韧性(~42.7MJ m^-3)和12.0%的高破坏应变。与此同时，抗拉强度和导电性也得到了相应提高，最高可达~699.1MPa和~1329.0 S/cm。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15991-6

碳化铌(Nb₂CTx) MXene多层纳米片

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碳化铌(Nb₂CTx)MXene少层分散液（NMP）

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铌碳化铝(Nb₂AlC) MAX相陶瓷材料

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三、MXene薄膜实现通道尺寸可控的有效离子筛分

由于二维薄膜在水环境中容易由于水分子及离子的自发插层，引发膜内纳米通道的尺寸发生变化，导致其在艾米级级别的离子分离效果远低于理论预测。西安建筑科技大学团队通过选取Ti₃C₂Tx材料作为分离薄膜的构筑单元，通过在相邻纳米片之间引入海藻酸凝胶形成支柱结构，成功将膜内纳米通道的尺寸精确的控制在艾米级之内，相关论文以题为“Ion sieving by a two dimensional Ti₃C₂Tx alginate lamellar membrane with stable interlayer spacing”发表在Nature Communications上。
该工作利用新型二维纳米材料MXene Ti3C2Tx纳米片表面丰富的官能团，在其与海藻酸钠（SA）分子混合时，在氢键作用下获得了Ti₃C₂Tx-SA复合纳米片。在纳米片堆叠成膜后，利用海藻酸钠分子易与多价金属离子发生交联反应而生成凝胶的特性，最终可在相邻纳米片之间形成海藻酸凝胶支柱结构。研究中尝试了利用Ca²⁺、Ba²⁺以及Mn²⁺等与薄膜进行反应，发现不同海藻酸凝胶均可稳定薄膜的纳米通道，而且三种薄膜的纳米通道直径均被控制在7.4±0.2Å左右，稳定的受限通道为精确的离子筛分提供了可能。