AFM 报道: 自组装MXene水凝胶构建3D宏观结构

【背景介绍】

MXenes是一种新兴的二维（2D）材料，其分子式为M_n+1X_nT_x，其中M是过渡金属，X代表C或N元素，T_x表示表面官能团。它们独特的结构和表面化学赋予MXenes许多优异性能，但是与其他2D材料类似，其堆叠、团聚问题极大的制约了MXenes性能的发挥，进而严重限制了它们在许多领域中的应用。将2D MXene片组装成3D宏观结构对于克服2D MXene片严重的堆叠团聚问题和开发基于MXene的功能材料是非常理想的。然而，与石墨烯不同的是，由于MXene的固有特性，很难直接从单个的2D MXene直接组装成具有稳定网络连接的3D宏观结构的MXene。

【成果简介】

近日，天津大学化工学院Nanoyang课题组的杨全红教授、陶莹副教授联合法国图卢兹大学的Patrice Simon教授（共同通讯作者）共同报道了一种新的凝胶化方法，在氧化石墨烯（GO）和合适的还原剂的辅助下，成功实现了2D Ti₃C₂T_x纳米片的液相自组装，不仅获得了结构稳定、力学强度较高的3D Ti₃C₂T_x水凝胶（MXH），而且极大的降低了其液相组装分散液的浓度阈值。该水凝胶作为超级电容器电极时，在5 A/g时提供高达370 F/g的比电容，即使在1000 A/g时，其电容也达到165 F/g，显示出极高的倍率性能。此外，利用可控的干燥过程，由Ti₃C₂T_x水凝胶可获得密度、孔径分布截然不同的疏松多孔气凝胶和致密干凝胶。结果发现，3D多孔Ti₃C₂T_x气凝胶具有良好的吸附能力，能作为一种双功能吸附剂同时去除各种有机污染物和重金属离子；而致密的干凝胶展示出优异的力学性质，具有高的杨氏模量和硬度。研究成果以题为“3D Macroscopic Architectures from Self-Assembled MXene Hydrogels”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、MXene水凝胶形成过程示意图

图二、MXH干燥后的宏观形貌和微观结构
（a-c）冷冻干燥后，所得F-MXM的光学照片和不同放大倍数下SEM图；

（d-f）毛细蒸发干燥后，所得D-MXM的光学照片和不同放大倍数下SEM图；

（g-h）MXene粉末与MXMs的氮气吸脱附等温线、孔径分布曲线。

图三、MXH和F-MXM的表征
（a, b）不同放大倍数下MXH的TEM图；

（c）F-MXM的SEM图和相应Ti、C、O、N、F元素分布图；

（d）EDA-rGO、MXene粉末和F-MXM的XRD谱图；

（e）不同氧化石墨烯添加量所得水凝胶的光学照片。

图四、MXene组装的可能机理
（a）MXene粉末和F-MXM的Ti 2p分峰图谱；

（b）MXH的形成机理示意图；

（c）不同还原剂制备MXene水凝胶成胶前后的实物图。

图五、MXH电极的电化学性能和双功能吸附剂F-MXM的吸附性能
（a-c）MXH、MX/GN膜和MXene膜电极的电化学性能对比；

（d）F-MXM对多种有机污染物的吸附能力；

（e）F-MXM对几种重金属离子的饱和吸附量；

（f）F-MXM对CCl₄和Pb²⁺的吸附再生能力。

【总结】

综上所述，作者报道了在GO和乙二胺存在下，能够通过液相组装实现Ti₃C₂T_x凝胶化制备3D Ti₃C₂T_x宏观体。在凝胶化过程中，GO作为交联剂，乙二胺引发GO层上的环氧基开环形成的悬氧键与表面官能团丰富的Ti₃C₂T_x纳米片发生交联进而随GO片层共同搭接形成水凝胶。Ti₃C₂T_x水凝胶用作超级电容器电极时，具有优异的质量比电容和倍率性能。经不同溶剂脱除方式，其进一步被转化为具有不同多孔结构的3D宏观块体，具有更佳的结构稳定性和热稳定性，成为一种重要的功能材料。质地疏松的Ti₃C₂T_x泡沫表现出优异的吸附性能，作为双功能吸附剂能有效吸附各种有机污染物和多种重金属离子；而致密的Ti₃C₂T_x硬棒具有优异的力学性质，高的杨氏模量和硬度。该研究对推动MXene基功能材料的实用化与长足发展意义深远，并为更好地设计和组装2D纳米材料提供了新思路。

文献链接：3D Macroscopic Architectures from Self-Assembled MXene Hydrogels（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201903960）

Nanoyang课题组简介：在杨全红教授（国家杰青、万人领军、“科睿唯安”和“爱思唯尔”高引科学家）的带领下，实验室十年磨一剑，始终坚持“做有用的研究，讲有趣的故事”，以“碳功能材料”为研究入口，以“高性能电化学储能”为应用出口，研究碳功能材料结构设计、制备科学和能量存储与转化机制，从策略、方法、材料、电极、器件五个方面提出构建致密储能器件的全链条解决方案，致力于突破产业发展瓶颈。此外，在锂硫催化、钠电负极与电解液、二维材料组装策略、金属锂负极保护等多方面取得了一些有意义的研究成果，详见课题组网站：http://nanoyang.tju.edu.cn。

本文由CQR编译。

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