Trans Tianjin Univ | MXene薄膜的研究进展：合成、组装和应用
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文章信息MXene薄膜的研究进展：合成、组装和应用
本文亮点
1. 综述了MXene薄膜的主要研究进展及相关的构效关系。
2. 总结MXene的新型合成方法，论述MXene薄膜的先进组装技术。
3. 详细讨论MXene薄膜在电化学、膜分离、电磁屏蔽和其他新兴领域的最新应用进展及其组成、结构、性能之间的构效关系
4. 展望了MXene薄膜未来在各研究领域中面临的问题与挑战。
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内容简介二维过渡金属碳化物或氮化物MXene作为一类新兴的二维材料，由于其前驱体MAX相的组成多样性及其良好的金属导电性、亲水性和高柔韧性而受到越来越多的关注。MXene薄膜作为MXene基材料的一种重要形式在近年来的发展尤为迅速，在众多的方向展现出了一定的应用潜力。尽管如此，MXene薄膜的发展仍处于起步阶段，在实际应用中仍有许多亟待解决的问题。例如新型前驱体的制备及其剥离方法是制备多种类MXene的必要条件。在应用方面，尽管MXenes在许多领域中（尤其是在电化学领域）已取得了出色的性能，但其物理机制仍需要进一步研究。另外在成膜过程中，如果纳米片是自堆叠的，这将阻碍离子的传输，最终导致电化学性能的下降。在这方面，非常有必要对其再堆叠机制进行深入研究。
本文对MXene膜的研究进展进行综述，首先综述了MXene的合成方法，如：经典的含氟溶液刻蚀法、熔融盐刻蚀法以及其他的最新合成技术及其合成机理。然后讨论了MXene薄膜的先进组装技术，如：真空辅助过滤（VAF）、旋涂以及静电纺丝，热压和电沉积法等其他新兴技术的进展。详细总结了MXene薄膜在电化学、膜分离、电磁屏蔽和其他新兴领域的最新应用进展及其组成、结构、性能之间的构效关系，最后展望了MXene薄膜未来面临的挑战和前景。＋
图文导读图2 Ti3AlC2相及相应的MXene的结构和剥落过程. a Ti3AlC2的结构。b HF处理后，Al被-OH取代。c超声处理后，氢键断裂，MXene纳米片分散在溶剂中。经文献[23]许可转载，版权所有2013 Wiley-VCH。
图3 a有机溶剂中采用NH4HF2无水制备MXene的流程图，经文献[50]许可转载，版权所有2020 Cell Press。b图3a的补充说明，剥离的Ti3C2Tx薄片在几种有机溶剂中稳定分散的示意图。经文献[45]许可转载，版权所有2020 Cell Press。c多层Ti2C2Tx的SEM显微照片，d分层Ti3C2Tx薄片的TEM显微照片。经文献[50]许可转载，版权所有2020 Cell Press。
图4 熔融盐法制备MXene的示意图。a由Ti3AlC2和ZnCl2合成-OH和-Cl封端MXene的示意图。经文献[20]许可转载，版权所有2019 American Chemical Society。b由Ti3SiC2和CuCl2合成Ti3C2Tx MXene的合成示意图。经文献[52]许可转载，版权所有2020 Nature Publishing Group。
图5 550 °C下熔融盐法处理Ti4AlN3粉末获得多层Ti4N3Tx MXene，经超声处理后最终制得单层或少层MXene薄片。经文献[18]许可转载，版权所有2016 Royal Society of Chemistry。
图6 a Zr3Al3C5的晶体结构模型。b、c经过HF处理粉末的SEM图，可见折叠状的结构。d通过超声处理后剥落的2D Zr3C2Tz薄片的典型TEM图。e、f少层和涡卷形Zr3C2Tz纳米片的TEM图。f中的插图为SAED模型。经文献[54]许可转载，版权所有2016 Wiley-VCH。
图7 a Hf3C2Tz MXene的合成过程，b 制备的Hf3[Al(Si)]4C6粉末的SEM图。c合成粉末经HF处理后的SEM图。d 分层Hf3C2Tz薄片的典型TEM图。e 少层Hf3C2Tz薄片的TEM图。经文献[56]许可转载，版权所有2017 American Chemical Society。
图8 a不同温度条件下NaOH水溶液中Ti3AlC2的蚀刻过程。经文献[37]许可转载，版权所有2015 American Chemical Society。B经过异丙胺插层后Nb2CTx的剥离过程示意图。经文献[64]许可转载，版权所有2015 Wiley-VCH。
图9 a不同MXene基薄膜的制备示意图。经文献[77]许可转载，版权所有2014 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。S@Ti3C2Tx墨水的b示意图和c光学照片。经文献[81]许可转载，版权所有2018 Wiley-VCH。
图10 a光电探测器的制备示意图和可显示阴极-阳极间隙的最终器件的SEM图。经文献[86]许可转载，版权所有2019 Wiley-VCH。b旋涂法将Ti3C2Tx水溶液沉积在不同基材上制备Ti3C2x（MXene）薄膜的示意图。经文献[88]许可转载，版权所有2016 Wiley-VCH。
图11 a 由MXene黏土滚轧制备柔性自支撑MXene薄膜的示意图。经文献[31]许可转载，版权所有2014 Nature Publishing Group。b PVA / MXene纳米纤维薄膜的制备过程。经文献[96]许可转载，版权所有2019 Elsevier Ltd。
图12 a黏土状MXene和滚轧制备的MXene薄膜的图像。b不同厚度MXene电极的速率性能。经文献[31]许可转载，版权所有2014 Nature Publishing Group。c垂直排列Ti3C2Tx MXene薄膜的示意图。d所得样品（包括真空抽滤的MXene薄膜和MXene层状液晶薄膜（MXLLC））在扫描速率为100 mV/s时的循环伏安图。e扫描速率从10~100000 mV/s变化时抽滤的MXene薄膜和MXLLC薄膜的面积比电容。经文献[120]许可转载，版权所有2018 Nature Publishing Group。
图13 a多孔Ti3C2Tx/BC薄膜的制备示意图。MXene 负载分别为1.8 mg/cm2和5 mg/cm2的MXene / BC薄膜和纯MXene膜的b面积比电容和c质量比电容。经文献[110]许可转载，版权所有2019 Wiley-VCH。d有机-无机不对称器件的示意图。E不同优化组合后样品的循环性能。e中的插图为器件循环使用前后的CV曲线。经文献[130]许可转载，版权所有2019 Wiley-VCH。
图14 a Ti3C2Tx/S复合纸的制备示意图。b、c纯Ti3C2Tx薄膜、Ti3C2Tx/S薄膜和Ti3C2Tx‐S混合电极的电导率和应力-应变曲线。经文献[109]许可转载，版权所有2019 Wiley-VCH。d在裸锂和平行排列的MXene（PA-MXene）层上的电镀锂示意图。e PA-MXene-Li / LiFePO4全电池的循环性能和库仑效率。e中的插图为10~400个循环电池的充电和放电曲线。f PA-MXene-Li / LiFePO4和Li / LiFePO4电池在5~30 C下的速率性能。经文献[138]许可转载，版权所有2019 Wiley-VCH。
图15 a相邻MXene薄膜片间自由空间的示意图。b 2 µm厚MXene膜的H2 / CO2分离性能。经文献[70]许可转载，版权所有2018 Nature Publishing Group。MXene薄膜对H2和CO2选择性的示意图。d MXene基薄膜对H2和CO2的溶解度（S）和扩散率（D）。e不同MXene基纳米膜对H2 / CO2的吸附选择性（αS）和扩散选择性（αD）。经文献[68]许可转载，版权所有2018 Wiley-VCH。
图16 a提出的EMI屏蔽机理。b不同厚度Ti3C2Tx薄膜的EMI SE。经文献[157]许可转载，版权所有2016 American Association for the Advancement of Science。c Ti3C2Tx / CNF复合膜中EMI屏蔽过程示意图。d不同Ti3C2Tx含量的d-Ti3C2Tx/ CNF复合膜的拉伸强度和拉伸应变。e不同d-Ti3C2Tx含量的d-Ti3C2Tx / CNF复合膜在12.4 GHz频率下的总EMI屏蔽效果、微波吸收（SEA）和微波反射（SER）的对比图。经文献[83]许可转载，版权所有2018 American Chemical Society。
图17 a基于疏水性Ti3C2膜太阳能淡化装置的示意图。经文献[175]许可转载，版权所有2018 Royal Society of Chemistry。b用于太阳能淡化的垂直排列Janus MXene气凝胶。经文献[176]许可转载，版权所有2019 American Chemical Society。c柔性压力传感器（10 mm×8 mm）的示意图及像素信号的相应压力映射曲线。经文献[178]许可转载，版权所有2020 American Chemical Society。d具有仿生棘刺微结构的压阻传感器的设计和组装。经文献[179]许可转载，版权所有2020 American Chemical Society。
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