MXenes复合材料的发展: 界面调控及结构设计

doi:10.7503/cjcu20200716

摘要/Abstract

摘要：

MXenes作为一类新兴的二维材料, 因具有独特的亲水性、优异的力学性能、丰富的表面官能团、高导电率、光热以及光电效应等性能而成为研究热点, 广泛应用在电磁屏蔽、电化学储能、生物医药、分离、传感器和海水淡化等领域. 虽然MXenes具有这些优异的性能, 但是其存在的与疏水性高分子相容性差、带负电的官能团阻碍电解质运输及易氧化等问题限制了其实际应用. 近年来, 通过对MXenes进行界面调控以解决其固有缺陷, 并在此基础上对MXenes进行针对性的结构设计以提升界面稳定性, 其性能得到了进一步提升. 本文对MXenes复合材料发展过程中在界面调控和结构设计方面的研究进展进行总结, 并重点介绍了MXenes的结构和性质及MXenes在复合材料中的界面调控手段, 对MXenes复合材料的结构设计进行了阐述, 并对MXenes复合材料的发展前景进行了展望.

关键词: 过渡金属碳(氮)化物(MXenes), 复合材料, 界面调控, 结构设计

Abstract:

As an emerging type of two-dimensional material， MXenes have become a research focus because of their unique advantages including hydrophilicity， excellent mechanical properties， abundant surface functional groups， high conductivity， photothermal and photoelectric effects. As a result， they have been widely used in electromagnetic shielding， electrochemical energy storage， biomedicine， separation， sensor and seawater desalination. Although MXenes have these excellent properties， their drawbacks such as poor compati- bility with hydrophobic polymers， the impediment of electrolyte transport by negative charged functional groups and the ease of oxidation， all limit their practical application. Recently， efforts have been made by interface modification of MXenes to solve their inherent defects. Subsequently， targeted structural design of MXenes is carried out to improve the interface stability and further enhance their performance. In this paper， the research progress of interface modification and structure design of MXenes composites is summarized， in which the structure and properties of MXenes， the interface modification methods of MXenes and the structure strategies of MXenes composite are discussed followed by a brief prospect of MXenes composite materials.

Key words: MXene, Composite material, Interface modification, Structure design

中图分类号:

O614

TrendMD:

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图/表 15

Fig.1 Structure of MAX phase and corresponding MXenes(A)[3] and preparation process and multilayer and monolayer structure of Ti3AlC2(B)[5](A) Copyright 2014, Wiley-VCH; (B) Copyright 2011, Wiley-VCH.

Table 1 Different etching methods of MXenes[12]

Etching method	Etchant	Etching temperature/℃	Etching method	Etchant	Etching temperature/℃
Acid with fluorine	HF	Room temperature(RT)—55	Hydrothermal	NaOH	270
	H₂O₂+HF	40		NaBF₄, HCl	180
	HCl+LiF	35—55	Electrochemical	NH₄Cl/TMAOH	RT
	HCl+(Na, K, NH₄F)	30—60		HCl	RT
	NH₄HF₂	RT	Lewis acid	ZnCl₂, CuCl₂, ……	550
Molten salts	LiF+NaF+KF	550

Fig.2 SEM image of multilayer MXene(A)[13] and TEM image of single layer MXene with SAED image in the upper right corner(B)[14](A) Copgright 2020, American Chemical Society; (B) Copgright 2019, Wiley-VCH.

Fig.3 Three structure configurations of MXenes with differernt arrangements of the surface atoms[15](A—C) Side views of configuration Ⅰ(A), configuration Ⅱ(B), configuration Ⅲ(C); (D, E) top views of (A) and (B), respectively. Configuration Ⅲ(C) is a mixture of Ⅰ and Ⅱ. Copyright 2013, American Chemical Society.

Fig.4 Contact angle of Ti3C2, F?Ti3C2 and TMA?Ti3C2(from left to right)(A)[27], schematic diagram of N?doped formats(B)[29] and process chart of grafting MXene onto alkyl phosphoric acid and photographs before and after modification(C)[30](A) Copyright 2020, American Chemical Society; (B) Copyright 2020, Wiley-VCH; (C) Copyright 2019, American Chemical Society.

Fig.5 Schematic diagram of MXene modified by aminosilane coupling agent(A), surface charge of the pristine MXene and AEAPTMS?Ti3C2Txversus pH(B) and 25 mL vials showing self?assembly of MXenes obtained from mixing the positively charged functionalized MXene and the negatively charged pristine MXene(C)[33]Copyright 2020, Wiley-VCH.

Fig.6 Schematic diagram of the interface layer and the binding energies between different functional groups and iodine atoms of MXene(A)[36], preparation of CTAB modified MXene(B)[38] and preparation of PANI modified MXene(C)[39](A) Copyright 2020, American Chemical Society; (B) Copyright 2020, Wiley-VCH; (C) Copyright 2020, American Chemical Society.

Fig.7 Schematic diagram of the MXene/PDAC coating(A), digital images of MXene coated on different surfaces(B) and terrain sensor test(C)[46]

Fig.8 Preparation and characterization of Ni modified MXene[49](A) Preparation of Ni modified MXene; (B) Zeta dot bitmap; (C) XRD patterns of MAX, MXene, MXene/Ni(OH)2-30, and M/N-30 nanocomposites; (D, E) SEM images of MAX and MXene;(F) HRTEM image of MXene;(G—I) TEM image(G) and HRTEM images(H, I) of M/N-30; (J, K) corresponding strain maps of (I). The color scale for (J, K) is -0.5(black) to +0.5(white).Copyright 2019, American Chemical Society.Copyright 2018, American Association for the Advancement of Science.

Fig.9 Preparation of hydrophobic d?Ti3C2 membrane(A), hydrophobic d?Ti3C2 membrane based solar desalination device(B)[53] and MXene based photodynamic/photothermal/chemotherapy platform(C)[54](A, B) Copyright 2018, the Royal Society of Chemistry; (C) Copyright 2017, American Chemical Society.

Fig.10 Representative snapshot of DFT simulation of Ti3C2Tx?DGEBA interface(A), representative snapshot from coarse?grained MD simulation(B), TEM image of Ti3C2Tx?epoxy nanocomposite(C), SEM images of 1%(mass fraction) Ti3C2Tx MXene nanocomposite fracture surface, backscatter electron(D), electron(E) images of MXene particles protruding from sample surface at break[57](D, E) Yellow arrows indicate cavities around the edges of MXene particles. Copyright 2020, Elsevier.

Fig.11 Structure design of MXenes in composite materials

Fig.12 TEM(A) and HRTEM(B) images of N?MQDS(160 ℃)[66], TEM images of a hollow Ti3C2Tx sphere(C) and its wall MXene layers(D)[74], SEM(E, F) and TEM(G, H) images of CTAB?Sn(Ⅳ)@Ti3C2[79]

Fig.13 Schematic diagram of the synthesis process of Janus structured Co?MQD(A)[68] and schematic representation of the synthesis of the CsPbBr3?Ti3C2Tx composite(in anhydrous toluene)(B)[69](A) Copyright 2020, Wiley-VCH; (B) Copyright 2020, American Chemical Society.Inset in （H）: lateral size distribution of the anchored Sn(Ⅳ) nanocomplex. (A, B) Copyright 2018, Royal Society of Chemistry; (C, D) Copyright 2017, Wiley-VCH; (E—H) Copyright 2017, American Chemical Society.

Fig.14 Schematic illustration of bidirectional freeze?casting mechanism(a), and the aligned lamellar structure with interconnected bridges(b) of MXene aerogels assembled from different kinds of MXene flakes(Ti2CTx, Ti3C2Tx, and Ti3CNTx)(A), with the increase of mxene concentration, a continuous three?dimensional network structure is gradually formed(B—H)[75]Copyright 2019, Wiley-VCH.

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