MXene骨架
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-07-30
MXene骨架的實(shí)例教程
來(lái)自北京化工大學(xué)等單位的研究人員，采用Ti3C2TxMXene納米片作為快電子/鉀離子雙功能導(dǎo)體，構(gòu)建了全集成石墨納米片(GNF)/MXene(GNFM)電極骨架。連續(xù)的MXene骨架構(gòu)成了快速電子/鉀離子轉(zhuǎn)移的三維通道，使GNFM電極具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于這種獨(dú)特的MXene骨架，GNFM電極即使在高質(zhì)量負(fù)載下也比傳統(tǒng)的聚合物鍵合電極表現(xiàn)出更高的儲(chǔ)鉀性能。此外，GNFM電極在不可燃電解液中也表現(xiàn)出令人印象深刻的循環(huán)性能，并被進(jìn)一步用作陽(yáng)極組裝新型不可燃鉀離子電容器，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和高的能量/功率密度(113.1 Wh kg-1和12.2kW kg-1)。用Operando XRD驗(yàn)證了對(duì)GNFM電極相變機(jī)理的新認(rèn)識(shí)，密度泛函理論計(jì)算表明，Mxene能促進(jìn)異質(zhì)界面上的電子轉(zhuǎn)移和鉀擴(kuò)散。因此，研究結(jié)果表明，以MXene為多功能骨架設(shè)計(jì)的全集成GNFM電極為制備高效儲(chǔ)鉀陽(yáng)極提供了一種新的方案。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102126
綜上所述，本論文采用Ti3C2TxMXene納米片作為快電子/鉀離子雙導(dǎo)體，通過(guò)真空濺射含有GNFS和MXene納米片的混合分散體，構(gòu)建了GNFM全集成電極的骨架。在GNFM電極中，Mxene納米片層狀重疊和互鎖形成了連續(xù)的Mxene骨架，這使得GNFM電極具有快速的電子/鉀轉(zhuǎn)移能力和較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。用Operando XRD驗(yàn)證了GnFM電極的儲(chǔ)鉀機(jī)理，其相變?yōu)镚(G-t)→稀釋階段(KC144-168)、→階段4(KC48)、→階段3(KC36)、→階段2(KC24)、→階段1(KC8)及其相反過(guò)程。
展開(kāi) 仿生復(fù)合材料的制備及表征
圖1 蜻蜓翅膀的實(shí)物圖及仿生復(fù)合材料的制備表征分析
作者受到蜻蜓翅膀微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，首先將MXene納米片包覆在剛性可修復(fù)的聚合物材料表面，而后通過(guò)熱壓定構(gòu)加工的方式制備了仿生復(fù)合材料。光學(xué)顯微鏡和透射顯微鏡證明了復(fù)合材料內(nèi)部的仿生微結(jié)構(gòu)—形成了三維互聯(lián)的MXene骨架；XPS證明MXene骨架和聚合物直接存在強(qiáng)大的界面氫鍵相互作用，這也有助于提升復(fù)合材料整體的機(jī)械性能。
仿生復(fù)合材料的增強(qiáng)增韌性能
圖2 仿生復(fù)合材料的機(jī)械性能
三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在聚合物網(wǎng)絡(luò)中植入MXene互聯(lián)骨架，仿生復(fù)合材料的機(jī)械性能提到了顯著提升；與初始可修復(fù)聚合物材料相比，剛度提高了3.8倍，強(qiáng)度提高了25.0倍，應(yīng)變提高了7.9倍；對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在聚合物基體中加入同等含量的烏龜分散的MXene納米片，其增強(qiáng)效果有限，遠(yuǎn)低于具有仿生微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。
展開(kāi) MXene基MSCs的噴涂
圖12. 基于2D共軛聚合物作為微電極制造MSCs的LBL方法
圖13. 基于2D EG/V2O5微電極的智能電致變色MESD
圖14. 能量收集集成系統(tǒng)
【總結(jié)】
新興的電化學(xué)活性2D材料為高性能、可靠和可升級(jí)的MESDs的未來(lái)發(fā)展打開(kāi)了一扇新的窗口。本文綜述了MESDs在多種2D材料、微制造方法和設(shè)計(jì)技術(shù)方面的最新成就。二維材料，包括石墨烯、TMOs/TMHs、TMDs、MXenes和二維有機(jī)骨架材料，研究人員已經(jīng)根據(jù)它們對(duì)MSCs和MBs的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。另一方面，器件制造在技術(shù)創(chuàng)新中起著關(guān)鍵作用，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響MESDs的復(fù)雜性和大規(guī)模生產(chǎn)。研究人員還認(rèn)為，引入智能功能和將微型設(shè)備集成到系統(tǒng)中對(duì)于促進(jìn)智能電子的高速增長(zhǎng)是不可或缺的。同時(shí)基于2D材料的MESDs在各個(gè)器件領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成就；最近，基于這種MESDs的集成系統(tǒng)已經(jīng)被證明它們的潛在應(yīng)用范圍。然而，一些關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)仍然需要解決。
針對(duì)最先進(jìn)的MESD性能，2D材料的結(jié)構(gòu)工程為調(diào)整包括電導(dǎo)率、氧化還原電位、晶相結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性在內(nèi)的化學(xué)和物理性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。雜原子摻雜、缺陷/空位產(chǎn)生、表面/界面修飾和異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建等方法為進(jìn)一步改善2D材料的物理化學(xué)性質(zhì)提供了巨大的機(jī)遇。眾所周知，2D材料面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)在于，由于其強(qiáng)大的范德華相互作用，它們不可避免地會(huì)聚集在一起。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們可以通過(guò)嵌入異質(zhì)分子來(lái)擴(kuò)大層間空間，以提高存儲(chǔ)能力或增加活性位點(diǎn)。
展開(kāi) MXene基MSCs的噴涂
圖12. 基于2D共軛聚合物作為微電極制造MSCs的LBL方法
圖13. 基于2D EG/V2O5微電極的智能電致變色MESD
圖14. 能量收集集成系統(tǒng)
【總結(jié)】
新興的電化學(xué)活性2D材料為高性能、可靠和可升級(jí)的MESDs的未來(lái)發(fā)展打開(kāi)了一扇新的窗口。本文綜述了MESDs在多種2D材料、微制造方法和設(shè)計(jì)技術(shù)方面的最新成就。二維材料，包括石墨烯、TMOs/TMHs、TMDs、MXenes和二維有機(jī)骨架材料，研究人員已經(jīng)根據(jù)它們對(duì)MSCs和MBs的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。另一方面，器件制造在技術(shù)創(chuàng)新中起著關(guān)鍵作用，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響MESDs的復(fù)雜性和大規(guī)模生產(chǎn)。研究人員還認(rèn)為，引入智能功能和將微型設(shè)備集成到系統(tǒng)中對(duì)于促進(jìn)智能電子的高速增長(zhǎng)是不可或缺的。同時(shí)基于2D材料的MESDs在各個(gè)器件領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成就；最近，基于這種MESDs的集成系統(tǒng)已經(jīng)被證明它們的潛在應(yīng)用范圍。然而，一些關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)仍然需要解決。
針對(duì)最先進(jìn)的MESD性能，2D材料的結(jié)構(gòu)工程為調(diào)整包括電導(dǎo)率、氧化還原電位、晶相結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性在內(nèi)的化學(xué)和物理性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。雜原子摻雜、缺陷/空位產(chǎn)生、表面/界面修飾和異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建等方法為進(jìn)一步改善2D材料的物理化學(xué)性質(zhì)提供了巨大的機(jī)遇。眾所周知，2D材料面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)在于，由于其強(qiáng)大的范德華相互作用，它們不可避免地會(huì)聚集在一起。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們可以通過(guò)嵌入異質(zhì)分子來(lái)擴(kuò)大層間空間，以提高存儲(chǔ)能力或增加活性位點(diǎn)。
展開(kāi) 然而，過(guò)量的碳納米管會(huì)增加MXene納米片的層間距，降低CMP/CS復(fù)合材料的導(dǎo)電性。由于電導(dǎo)率可控，在x波段達(dá)到29.3 dB的良好EMI屏蔽性能(圖3d)。為了進(jìn)一步提高屏蔽性能，Liang等人采用石墨化程度較高的天然木源多孔碳(WPC)骨架作為屏蔽材料襯底制備具有壁狀“砂漿-磚”結(jié)構(gòu)的MXene氣凝膠/WPC復(fù)合材料，其中WPC骨架和MXene氣凝膠分別充當(dāng)“砂漿”和“磚”(圖3e和f)。受益于較高的碳化溫度，木基木復(fù)合材料的電導(dǎo)率從WPC- 500的1.6×10-10S/cm迅速增加到WPC-1500的35.2 S/cm，在厚度為3 mm時(shí)表現(xiàn)出61.3 dB的高屏蔽性能。當(dāng)MXene氣凝膠填充WPC-1500內(nèi)部的蜂窩細(xì)胞時(shí)，MXene氣凝膠/WPC-1500的EMI SE值增加到~69.4 dB，與WPC-1500相比增加了20%以上(圖3g)。MXene氣凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連續(xù)多孔碳結(jié)構(gòu)引起了阻抗失配、多次反射和散射、導(dǎo)電損耗和界面極化損耗，從而進(jìn)一步提高了屏蔽性能。
圖3.（a）制備三維 CMP/CS 復(fù)合材料的示意圖；（b）CS（升降臺(tái)）和 CMP/CS 復(fù)合材料（右側(cè)）的掃描電鏡圖像；（c）CMP/CS 復(fù)合材料的導(dǎo)電性和（d）EMI SE，(e) MXene 氣凝膠/WPC 復(fù)合材料的電導(dǎo)率，(f) MXene 氣凝膠/WPC 復(fù)合材料墻壁的 "灰泥磚 "結(jié)構(gòu)照片和 SEM 圖像，(g) MXene 氣凝膠/WPC 復(fù)合材料與 WPC-1500 的 EMI SE 值比較，(h) 電阻率和 (i) 總 EMI SE (SET)，以及 (j) 二面角為 90°、45° 和 0° 的 T-M@wood 的 SEA 和 SE。
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為了進(jìn)一步提高屏蔽性能，Liang等人采用石墨化程度較高的天然木源多孔碳(WPC)骨架作為屏蔽材料襯底制備具有壁狀“砂漿-磚”結(jié)構(gòu)的MXene氣凝膠/WPC復(fù)合材料，其中WPC骨架和MXene氣凝膠分別充當(dāng)“砂漿”和“磚”(圖3e和f)。
來(lái)自北京化工大學(xué)等單位的研究人員，采用Ti3C2TxMXene納米片作為快電子/鉀離子雙功能導(dǎo)體，構(gòu)建了全集成石墨納米片(GNF)/MXene(GNFM)電極骨架。連續(xù)的MXene骨架構(gòu)成了快速電子/鉀離子轉(zhuǎn)移的三維通道，使GNFM電極具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于這種獨(dú)特的MXene骨架，GNFM電極即使在高質(zhì)量負(fù)載下也比傳統(tǒng)的聚合物鍵合電極表現(xiàn)出更高的儲(chǔ)鉀性能。
更為重要的，三維互聯(lián)的MXene骨架結(jié)構(gòu)還賦予了復(fù)合材料快速的光控可修復(fù)性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及良好的可修復(fù)電磁屏蔽功能。
二維材料，包括石墨烯、TMOs/TMHs、TMDs、MXenes和二維有機(jī)骨架材料，研究人員已經(jīng)根據(jù)它們對(duì)MSCs和MBs的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。另一方面，器件制造在技術(shù)創(chuàng)新中起著關(guān)鍵作用，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響MESDs的復(fù)雜性和大規(guī)模生產(chǎn)。研究人員還認(rèn)為，引入智能功能和將微型設(shè)備集成到系統(tǒng)中對(duì)于促進(jìn)智能電子的高速增長(zhǎng)是不可或缺的。
二維材料，包括石墨烯、TMOs/TMHs、TMDs、MXenes和二維有機(jī)骨架材料，研究人員已經(jīng)根據(jù)它們對(duì)MSCs和MBs的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。另一方面，器件制造在技術(shù)創(chuàng)新中起著關(guān)鍵作用，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響MESDs的復(fù)雜性和大規(guī)模生產(chǎn)。研究人員還認(rèn)為，引入智能功能和將微型設(shè)備集成到系統(tǒng)中對(duì)于促進(jìn)智能電子的高速增長(zhǎng)是不可或缺的。
