二维纳米材料MXene的研究进展

MXene是一类新型碳/氮化物二维纳米层状材料,一般是利用化学刻蚀的手段通过选择性刻蚀掉前驱体MAX相中的A原子层而得到。其通式可表示为M_(n+1)X_nT_x,其中M代表早期过渡族金属,X代表碳和/或氮,T_x代表MXene在刻蚀过程中产生的附着在其表面的官能团(-OH、-F、=O、等)。采用一定的手段将多层MXene剥落,可获得类石墨烯形貌的单层MXene。MXene除了具备传统二维材料的性能外,还兼具良好的导电性、亲水性、透光性、柔韧性以及能量储存性能,在复合材料、润滑剂、环境污染治理、电池、电容器、催化、传感器、抗菌等领域具有潜在的应用价值。文章总结了MXene的制备、结构、性能和应用等方面的最新成果,并展望了其今后的研究方向。     

二维纳米材料MXene的研究进展

MXene是一类新型碳/氮化物二维纳米层状材料,一般是利用化学刻蚀的手段通过选择性刻蚀掉前驱体MAX相中的A原子层而得到.其通式可表示为Mn+1XnTx,其中M代表早期过渡族金属,X代表碳和/或氮,Tx代表MXene在刻蚀过程中产生的附着在其表面的官能团(-OH、-F、=O、等).采用一定的手段将多层MXene剥落,可获得类石墨烯形貌的单层MXene.MXene除了具备传统二维材料的性能外,还兼具良好的导电性、亲水性、透光性、柔韧性以及能量储存性能,在复合材料、润滑剂、环境污染治理、电池、电容器、催化、传感器、抗菌等领域具有潜在的应用价值.文章总结了MXene的制备、结构、性能和应用等方面的最新成果,并展望了其今后的研究方向.     

二维材料MXene的储能性能与应用

能量存储和转化器件是现代社会的重要基础。随着清洁能源、便携式电子设备及电动汽车的快速发展,人们对储能器件性能的要求越来越高。储能材料是决定储能器件性能的重要因素。通常,储能材料需满足具有可逆的氧化还原反应、易于电解液离子脱嵌、尽可能多地提供氧化还原位点、良好的导电能力等要求。近年来,二维材料因比表面积大、离子传输路径短等特点而得到广泛关注,在储能领域也具有巨大的发展潜力。只有原子量级厚度的二维材料,表面活性位点多,力学性能优良,正契合储能器件对电极材料的要求。MXene是一类新型二维材料,通式为Mn+1XnTx,其中M代表过渡族金属元素,X为碳和/或氮,T代表MXene在制备过程中产生的官能团(-F、-OH、-O等),n一般为1～4。自2011年首次报道以来,MXene在储能领域就被寄予厚望。MXene含有碳原子层,所以具有类似石墨烯的良好导电性;而过渡金属层使其表现出类似过渡金属氧化物的性能;同时,表面多样的官能团赋予MXene良好的亲水性。这种独特的性能组合,使得MXene电荷响应速度快,具有赝电容特征且循环性能稳定,成为储能领域的研究焦点。另外,便携式储能器件要求更高的体积容量与体积能量密度,而MXene与碳基电极材料相比堆积密度高,可有效降低器件体积,拓展应用范围。目前,MXene及其复合材料已经在超级电容器、锂/钠/镁离子二次电池、锂硫电池、锌-空气电池、储氢等诸多储能领域展现出实用价值。但是,MXene容易发生塌陷和堆垛,影响其作为电极材料的性能。因此,需将MXene进行插层、改性、掺杂或与其他材料复合,以阻止MXene堆叠,减小离子扩散阻力,并增加离子吸附位点,从而提高其电化学性能。而且,不同的能量存储和转化装置对MXene的合成方法和结构特征有不同的要求,鉴于MXene能源应用相关研究的大量呈现,有必要对其进行全面总结与分析,以期推动MXene在该领域的发展。本文旨在综述MXene在制备、结构、性能及其在储能方面的最新研究动态与发展方向,并讨论面临的挑战。     

高韧性三元层状陶瓷:从MAX相到MAB相

三元层状化合物MAX相和新近引起人们注意的MAB相以其兼具陶瓷和金属的共同特性成为结构陶瓷领域20余年的研究热点,而高损伤容限和高断裂韧度是其区别于传统陶瓷的本质特征.本文简要回顾了MAX相的整体发展脉络和MAB相的最新研究进展,重点分析了纳米层状结构对宏观力学行为的影响及其内在机制.基于第一性原理计算结果建立的键刚度模型在实现对化学键强度的定量表征基础上,更重要的是阐明了"足够"弱的层间结合是三元层状陶瓷表现出非凡力学性能的根本原因.而Fe2AlB2在室温附近所出现的磁热效应(MCE)则显示了MAB相化合物在功能领域的良好应用前景.经过20余年的持续研究,MAX相化合物的结构和性能逐渐变得清晰,目前针对具体场景的应用研究在世界各地蓬勃开展起来.然而,目前对MAB相化合物的认识还很有限.因此,合成和表征现有已知MAB相化合物的结构、力学性能、物理性能以及基于应用背景的使役行为是现阶段的重要任务.其中,基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理数值模拟可扮演重要角色,正如其在理解MAX相化合物的非凡性能和发现新型化合物时所起的重要作用一样.     

二维纳米材料MXene及其在锂离子电池中的应用研究进展

自20世纪90年代可充电锂离子电池商业化以来,其研究与开发迅速发展.然而研究表明,在锂离子电池中,高速率充电/放电过程会降低锂离子电池的电化学性能.因此,众多研究者致力于开发具有优异的电化学性能、高能量密度和高功率密度的先进电极材料,以进行更好的能量存储和转换.二维(2D)材料由于其独特的性能而表现出巨大的储能潜力.近年来,衍生自MAX相前驱体的2D过渡金属碳化物/氮化物新系列MXene引起了广泛关注.MXene具有化学和结构多样性,因此与其他2D材料相比,在高功率锂离子电池应用中具有竞争力.研究发现,MXene具有优异的物理及化学性质,其中包括非凡的机械强度、出色的导电性、多种可能的表面终止、优异的比表面积以及容纳嵌入剂的能力.当用作锂基电池的电极材料时,MXene已表现出卓越的电化学性能.文中对MXene材料制备路线、结构类型及性质进行介绍,并进一步介绍了MXene材料的储锂机理,归纳总结了MXene在锂离子电池中应用研究的最新进展,最后概述了用于锂基能量存储设备的MXene和MXene基复合材料的挑战和前景,并提出杂原子掺杂、插层以及与其他电极材料复合正成为改善MXene材料在LIB中电化学性能的新方向.     

羟基化MXene二维层状膜对重金属离子的脱除

近年来,现代工业迅速发展的同时,也导致了废水排放量的增加,其中水体重金属污染已经成为目前亟待解决的问题之一.膜分离高效、环保和无污染的优势,被广泛用于重金属废水处理.本实验利用LiF和HCl混合溶液刻蚀MAX相(Ti3AlC2),制备了稳定的Ti3C2 (MX-ene)胶体溶液;通过真空辅助抽滤,组装成层间通道可控的、...     

熔盐法合成纳米层状Sc2SnC MAX相

MAX相是一类兼具金属和陶瓷特性的三元层状材料,也是合成二维MXenes的前驱体材料.理论预测稳定的三元层状MAX相材料约有600余种,目前实验合成的三元层状MAX相材料已有80余种,但M位主要为前过渡族金属,而对M为稀土元素的三元MAX相鲜有报道.本研究以Sc、Sn,和C元素粉为原料,通过熔盐法合成了M位为稀土元素S...     

新型二维层状材料MXene在超级电容器上的研究与应用进展

二维过渡族金属碳化物/氮化物(MXene)是二维材料家族的新兴成员,通过液相刻蚀等方法移除MAX相的A层得来.独特的二维结构及表面化学组成,使其表现出了良好的金属导电性、亲水性、优异的柔韧性及离子可插层性,在超级电容器研究与应用领域展现了巨大的潜力,受到了广泛关注.但是MXene仍存在诸多问题.首先,片层容易发生堆叠,...     

导电二维碳化钼MXene材料的制备与理论研究

以Mo、Y、Al和C元素粉为原料, 用放电等离子烧结技术(SPS)在1550 ℃合成了新颖的(Mo_2/3Y_1/3)₂AlC MAX相, 并用较温和的化学刻蚀方法剥离得到相应手风琴状形貌的MXene。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和能谱分析(EDS)手段对材料的化学组成、微观结构等进行了表征, 确定最终产物为表面带有官能团的Mo_1.33CT₂ MXene。同时利用第一性原理密度泛函理论计算方法研究了新颖(Mo_2/3Y_1/3)₂AlC MAX相以及对应的Mo_1.33CT₂ MXene的电子结构和性能, 计算结果表明两者均呈现出金属特性, 有望应用于储能、生物传感器和电催化等方面。     

Tailoring Structure,Composition, and Energy Storage Properties of MXenes from Selective Etching of In‐Plane,Chemically Ordered MAX Phases

The exploration of 2D solids is one of our time's generators of materials discoveries. A recent addition to the 2D world is MXenes that possses a rich chemistry due to the large parent family of MAX phases. Recently, a new type of atomic laminated phases (coined i‐MAX) is reported, in which two different transition metal atoms are ordered in the basal planes. Herein, these i‐MAX phases are used in a new route for tailoriong the MXene structure and composition. By employing different etching protocols to the parent i‐MAX phase (Mo_2/3Y_1/3)₂AlC, the resulting MXene can be either: i) (Mo_2/3Y_1/3)₂C with in‐plane elemental order through selective removal of Al atoms or ii) Mo_1.33C with ordered vacancies through selective removal of both Al and Y atoms. When (Mo_2/3Y_1/3)₂C (ideal stoichiometry) is used as an electrode in a supercapacitor—with KOH electrolyte—a volumetric capacitance exceeding 1500 F cm^?3 is obtained, which is 40% higher than that of its Mo_1.33C counterpart. With H₂SO₄, the trend is reversed, with the latter exhibiting the higher capacitance (≈1200 F cm^?3). This additional ability for structural tailoring will indubitably prove to be a powerful tool in property‐tailoring of 2D materials, as exemplified here for supercapacitors.     

Low-oxygen Ti3AlC2 MAX powder deoxidized by Ca reductant: Comparison of contact and noncontact deoxidation mechanism

This study investigates the decrease in oxygen concentration caused by the removal of α-Al₂O₃ inclusions in Ti₃AlC₂ MAX powder. The Ti₃AlC₂ MAX powder was deoxidized in the solid-state using calcium (Ca) as the reductant under contact and noncontact conditions. The oxygen concentration was decreased by removing the α-Al₂O₃ inclusions in Ti₃AlC₂ MAX powder through Ca contact and non-contact deoxidation. In the α-Al₂O₃ reduction reaction, Al diffusion and excess Ca interactions led to the formation of a Ti₂AlC phase, which was suppressed by reducing amount of Ca used. Oxygen reduction without any phase change was possible through contact deoxidation at 750 °C for 5 h. The oxygen concentration of deoxidized MAX powder was 9,450 ppm. In the case of noncontact deoxidation, the Ti₂AlC phase was suppressed by reducing the amount of Ca used to 0.5 g. The oxygen concentration of the deoxidized MAX powder was 3,400 ppm.     

Layered Clay Minerals in Cancer Therapy: Recent Progress and Prospects

Cancer is one of the deadliest diseases, and current treatment regimens suffer from limited efficacy, nonspecific toxicity, and chemoresistance. With the advantages of good biocompatibility, large specific surface area, excellent cation exchange capacity, and easy availability, clay minerals have been receiving ever-increasing interests in cancer treatment. They can act as carriers to reduce the toxic side effects of chemotherapeutic drugs, and some of their own properties can kill cancer cells, etc. Compared with other morphologies clays, layered clay minerals (LCM) have attracted more and more attention due to adjustable interlayer spacing, easier ion exchange, and stronger adsorption capacity. In this review, the structure, classification, physicochemical properties, and functionalization methods of LCM are summarized. The state-of-the-art progress of LCM in antitumor therapy is systematically described, with emphasis on the application of montmorillonite, kaolinite, and vermiculite. Furthermore, the property–function relationships of LCM are comprehensively illustrated to reveal the design principles of clay-based antitumor systems. Finally, foreseeable challenges and outlook in this field are discussed.     

聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料阻燃性研究进展

根据层状硅酸盐(黏土)可增强聚合物纳米复合材料阻燃性能的研究进展,本文综述了聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的制备方法,指出熔融插层是一种高效可行、环境友好的制备方法;从硅酸盐在纳米复合材料中产生的阻碍效应、自由基诱导效应,网状结构三个方面详细讨论了层状硅酸盐在纳米复合材料中的阻燃机理;最后,指出目前聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料在阻燃研究中尚存在的问题,并对其开发应用前景进行了展望。     

高镍系三元层状氧化物正极材料容量衰减机理的研究进展

高镍系三元层状氧化物正极材料因其高比容量、低廉的价格以及较好的环境友好性而受到广泛关注, 但是其固有的一些缺点, 如循环过程中结构稳定性差、高温稳定性差以及储存性能差等极大地限制了其在各领域的广泛应用。本文着重总结并讨论近年来对高镍系三元层状氧化物正极材料循环过程容量衰减机理的研究进展, 并对高镍系三元层状氧化物正极材料的进一步改性作了简要的展望。     

三元层状陶瓷Ti2SnC的研究进展

MAX相化合物由于兼具陶瓷和金属的综合性能而引起了广大研究者的关注,Ti_2SnC与其他M2AX相化合物相比很少被研究。Ti_2SnC具有高的韧性及模量、高的损伤容限、良好的导热导电性能及抗热震和抗氧化性能等。这些优异的性能使其成为高温结构和功能应用的潜在材料。文章主要综述了三元层状陶瓷Ti_2SnC的晶体结构、理论研究、合成方法、性能的研究进展,分析了利用不同方法合成Ti_2SnC的机理,并展望了其应用前景。     

Recent Progress on Stability and Passivation of Black Phosphorus

From a fundamental science perspective, black phosphorus (BP) is a canonical example of a material that possesses fascinating surface and electronic properties. It has extraordinary in‐plane anisotropic electrical, optical, and vibrational states, as well as a tunable band gap. However, instability of the surface due to chemical degradation in ambient conditions remains a major impediment to its prospective applications. Early studies were limited by the degradation of black phosphorous surfaces in air. Recently, several robust strategies have been developed to mitigate these issues, and these novel developments can potentially allow researchers to exploit the extraordinary properties of this material and devices made out of it. Here, the fundamental chemistry of BP degradation and the tremendous progress made to address this issue are extensively reviewed. Device performances of encapsulated BP are also compared with nonencapsulated BP. In addition, BP possesses sensitive anisotropic photophysical surface properties such as excitons, surface plasmons/phonons, and topologically protected and Dirac semi‐metallic surface states. Ambient degradation as well as any passivation method used to protect the surface could affect the intrinsic surface properties of BP. These properties and the extent of their modifications by both the degradation and passivation are reviewed.     

多孔PZT95/5铁电陶瓷材料研究进展

基于铁电材料冲击波去极化效应的高功率脉冲电源在国防和高新技术领域具有重要应用。PZT95/5铁电陶瓷是目前铁电体高功率脉冲电源应用的理想材料。近年来, 多孔PZT95/5铁电陶瓷被发现具有更优异的综合性能而引起广泛关注。本文概述了多孔PZT95/5铁电陶瓷在微结构与性能调控、冲击波加载下的响应行为以及抗冲击损伤机制等方面的最新进展。研究发现, 具有合适气孔率和气孔分布的多孔PZT95/5铁电陶瓷具有优异的抗冲击损伤和耐电击穿性能; 多孔脆性材料中破碎介质的“滑移与转动”变形机制增强了材料的塑性变形, 从而提高了多孔材料的抗冲击损伤性能。最后, 简要介绍了BNT基无铅铁电陶瓷以及PIN-PMN铁电单晶在高功率脉冲电源方面应用的研究进展, 并对未来研究工作提出展望。     

水溶液钠离子电池及其关键材料的研究进展

钠离子电池具有资源与成本等方面明显的优势, 正成为新一代储能技术的发展热点。对于大规模、固定式储能场合, 水溶液钠离子电池更为安全可靠、价格低廉、环境友好, 理论上具有广泛的应用前景。然而, 水溶液钠离子电池在材料选择和应用方面所面临的问题也非常复杂。针对这些问题, 本文简要分析了水系储钠材料与电极反应的特殊性, 介绍了水系钠离子电池的研究进展, 同时结合本课题组的研究工作讨论了相关的技术发展方向。