《AEM》馬里蘭大學：金屬離子誘導 MXene 氣凝膠組裝，用于電磁干擾屏蔽、電容去離子和微型超級電容器

非金非土非木

關注 2021年7月23日 09:50

瀏覽：3099

【摘要】

將 MXene 納米片的協同特性擴展到微孔氣凝膠結構需要有效的策略來克服納米片重新堆疊而不影響 MXene 的優勢特性。3D MXene 氣凝膠的傳統組裝方法通常涉及外部粘合劑/模板和/或額外的功能化，這會犧牲 MXene 氣凝膠的導電性和電化學活性。

最近 ， 馬里蘭大學 Po-Yen Chen 教授 團隊 受 Phrynosoma cornutum 分層紋理的啟發，設計了 皺褶紋理的 Ti ₃ C ₂ T _x MXene 平臺以促進 Mg ²⁺ 誘導的組裝，從而能夠在沒有聚合物粘合劑的情況下保形形成大面積 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠 。通過刮刀技術和冷凍干燥，Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠具有定制的形狀/尺寸，具有高表面積 (140.5 m2 g ^-1 )、優異的導電性 (758.4 S m ^-1 ) 和在水中的高穩定性.高導電性 MXene 氣凝膠展示了其從宏觀技術（例如，電磁干擾屏蔽和電容去離子（CDI））到片上電子（例如，準固態微型超級電容器（QMSC））的多種應用。作為 CDI 電極， Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠表現出高鹽吸附能力（33.3 mg g ^-1 ）和長期運行可靠性（超過 30 次循環） ，與文獻進行了極好的比較。此外，與其他最先進的 QMSCs 相比，具有交叉 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠電極的 QMSCs 表現出高面積電容 (409.3 mF cm ^-2 )，具有優異的功率密度和能量密度。 相關論文以題為 Metal Ion-Induced Assembly of MXene Aerogels via Biomimetic Microtextures for Electromagnetic Interference Shielding, Capacitive Deionization, and Microsupercapacitors 發表在《 A dvanced Energy Materials 》上。

【主圖導讀】

圖1 受 Phrynosomacornutum 啟發的 MXene 微紋理具有高水傳輸速度和卓越的儲水能力。

圖2 用于可擴展制造無粘合劑 MXene 氣凝膠的仿生 MXene 組裝平臺。 a) 通過仿生 MXene 組裝平臺和Mg ²⁺ 誘導的凝膠化可擴展制造 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠的示意圖。b)沉積在 CT-MXene 涂層上的厚而均勻的 Mg2+-MXene 水凝膠的數碼照片。c)比較使用刨刀和 CT-MXene 涂層獲得的 Mg ²⁺ -MXene 水凝膠。d) Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠的 SEM 圖像以及 Ti 和 Mg 元素的 EDX 映射。e) Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠的 SEM 圖像。f）原始MXene薄膜、Mg ²⁺ -MXene氣凝膠和酸洗MXene氣凝膠的XRD圖譜。g) 原始 MXene 薄膜、Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠和酸洗 MXene 氣凝膠的 Mg 2p 光譜。h) 原始 MXene 薄膜、Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠和酸洗 MXene 氣凝膠的 O 1s 光譜。i) 原始 MXene 薄膜、原始 MXene 氣凝膠、Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠和酸洗 MXene 氣凝膠的 BET 等溫線。

圖3 具有多功能性的大面積 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠的可擴展制造。 a）大面積Mg ²⁺ -MXene氣凝膠可擴展制造的數碼照片。b) EMI 屏蔽機制的示意圖。c) 原始 MXene 薄膜、原始 MXene 氣凝膠和 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠的 EMI 屏蔽性能。d) CDI 過程的示意圖。原始 MXene 薄膜和 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠的 CDI 性能在 1000 mg mL ^-1 NaCl 溶液中根據 e) NaCl 溶液的電導率變化和 f) 電極的相應電流變化進行測量。g) 大面積 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠和原始 MXene 膜在 1.4 V 的 NaCl 溶液中 1000 mg L ^-1 的 SAC 變化。h) 大面積 Mg2+-MXene 氣凝膠和原始 MXene 膜在 1000 mg L ^-1 NaCl 溶液中施加不同電壓的 SAC。i) Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠在 1000 mg L ^-1 的 NaCl 溶液中，電壓為 1.4 V，循環 30 次后的容量保持率。j) 已報道的 CDI 電極與 該 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠之間的體積吸附容量和重量吸附容量的比較。

圖4 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠 QMSCs 的制備和電化學表征。 a) Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠 QMSCs 的制備包括四個步驟：i) CT-MXene/PS 器件的制備，ii) 金屬離子誘導組裝用于 MXene 凝膠化，iii) 冷凍干燥過程，以及 iv) Mg ²⁺ -MXene 的制備 氣凝膠 QMSC。嵌入的 SEM 圖像顯示了 CT-MXene QMSC 和 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠 QMSC 中的叉指電極。

【總結】

該團隊展示了一種通用且可擴展的途徑， 通過在仿生 CT-MXene 平臺上進行金屬離子誘導組裝，實現 3D MXene 氣凝膠的可擴展制造。仿生 CT-MXene 平臺旨在促進金屬離子的分布，從而實現大面積厚 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠的保形生長。 與聚合物粘合劑相比，金屬離子（例如，Mg ²⁺ ）能夠與 MXene 納米片的–OH 基團形成強絡合，并作為有效的納米柱來減少納米片的重新堆疊。此外，Mg ²⁺ 的嵌入在很大程度上保留了 MXene 納米片的導電性能，并進一步提高了所得 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠在水 中的結構穩健性。 Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠的高潛力已在多個長度尺度的各種應用中得到證明。在宏觀尺度上，Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠作為微咸水中 CDI 的電極表現出出色的 EMI 屏蔽性能和優異的鹽吸附性能。當用作 QMSC 中的微圖案電極時，Mg ²⁺ -MXene 氣凝膠實現了極好的面電容和長期穩定性，這是由于高電子轉移率和快速離子向 3D 多孔結構中的氧化還原活性位點傳輸。

參考文獻 ：

doi.org/10.1002/aenm.202101494

投稿模板：

《PNAS》西安交通大學盧同慶、哈佛大學鎖志剛院士：用于傷口閉合的水凝膠-網狀復合材料  

《Joule》東華大學武培怡：雙網絡水凝膠熱電池具有非凡的韌性和高功率密度，可實現連續熱量收集

版權聲明： 「 高分子材料科學 」旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。編輯水平有限 ， 上述僅代表個人觀點。投稿，薦稿或合作請后臺聯系編輯。感謝各位關注！