氮化物(MXenes)
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-04
氮化物(MXenes)的實例教程
【成果簡介】
澳大利亞悉尼科技大學汪國秀教授研究團隊和美國德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授（共同通訊）研究團隊在能源領域知名期刊《焦耳》Joule
2 (2018) 778 - 787上發表了論文，題為：“Porous Cryo-Dried MXene for Efficient
Capacitive
Deionization。研究人員從儲能電極材料的研究中得到啟發，他們設計和制備了以氣凝膠狀多孔MXene為載體的CDI器件，該器件在高溶液鹽度中，表現出色，能夠提供極高的電吸附能力，在極高濃度的鹽水（10000
毫克/升）中可獲得了118
毫克/平方厘米的高吸附容量，比傳統的碳基電極材料的吸附容量高出了一個數量級。多孔MXene-CDI器件顯著的提高了CDI技術的吸附效率，使得CDI技術的發展進入到了工業規模的海水淡化的新階段。
二維的金屬碳化物或氮化物（MXenes）作為新型的二維萬能材料，具有高比表面積、高電導率的特點，又具備組分靈活可調，最小納米層厚可控等優勢，在儲能和水處理以及光電化學催化等領域擁有巨大潛力。
多孔Ti3C2Tx-CDI器件的電吸附特性: (A) 不同NaCl濃度中，多孔Ti3C2Tx-CDI器件以及
Ti3C2Tx-CDI器件和活性炭-CDI器件的電吸附容量曲線（NaCl濃度的從100 mg/L至1萬mg/L）。(B) 500 mg / L
的NaCl濃度中，多孔Ti3C2Tx-CDI器件以及 Ti3C2Tx-CDI器件和活性炭-CDI器件的電吸附容量曲線。(C) 500 mg / L
的NaCl濃度中，多孔電極多孔Ti3C2Tx-CDI器件的電吸附和脫附循環曲線。(D) 500mg /L
NaCl溶液中，多孔Ti3C2Tx-CDI器件在不同工作電壓下的電吸附容量變化。
展開 二維過渡金屬碳化物或氮化物(MXenes)自發現以來，由于其固有的電子特性、大的比表面積和豐富的電化學活性位點，被廣泛應用于電化學儲能領域。然而，二維MXene片在自組裝成電極時，傾向于層層堆積在基底上，導致了正交方向上的離子通路高度曲折，阻礙了離子的可及性。目前，主要有兩種策略來解決自堆積問題：(1）通過引入插層劑來抵抗層間相互作用，以擴大層間空間；（2）用二維納米片作為構件設計有序或多孔的三維結構。
武培怡教授課題組近年來圍繞MXene等二維材料的制備及應用取得了一系列研究進展：首次提出凍融法高效制備大尺寸的MXene，并通過掩模板法組裝了高性能的平面微型超級電容器器件 (Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910048.)；利用MXene作為犧牲模板，通過原位氧化MXene在GO片層間產生連續分布的TiO2納米晶體，使得GO片層內部產生連續納米通道，實現了GO膜水凈化能力的大幅提升 (J. Mater. Chem. A2019, 7, 6475.)；利用少量的MXene改善界面熱阻，大幅度提高氮化硼復合膜的導熱性能且不影響電絕緣性能 (Mater. Chem. Front.2020, 4, 292.)；受血管彈性層和肌肉層復合結構啟發，以MXene作為水凝膠層的填料，制備了一種溫敏水凝膠-熱塑性彈性體復合管，表現出極好的力學拉伸性、溫敏和近紅外光熱特性 (Mater. Horiz.2020, 7, 2150.)
展開 在后石墨烯時代，過渡金屬碳化物或氮化物（MXene）已成為一種非常重要且越來越受認可的二維納米材料。它具有許多優越的特性包括元素組成靈活可調性，金屬特性，載流子遷移各向異性，易調的能帶隙以及良好的光學和機械性能。因此被認為是擁有巨大應用潛力的新一代儲能和能源轉化材料而備受關注。為充分利用這些屬性和進一步挖掘MXene的潛力，近年來研究學者通過插層、層離、功能化、雜化等方式，結合理論計算，開發和發展了多種新型功能型MXene納米結構如單層，多層，納米粒子，量子點以及功能復合材料。在應用于能源轉換和存儲，催化，吸附，膜分離，傳感器，場效應晶體管，光熱轉換及細胞成像等領域，展現了卓越的性能并取得了重要的進展。
盡管MXene的特性研究和應用潛力的開發尚處于起步階段，對該類新興二維材料的重要進展，迫切需要對其進行詳細的總結并深入地討論其在光（電）催化劑及電化學器件領域研究過程中決定材料構效及應用的關鍵因素，這對探索合適的工藝以進一步提高其光（電）性能而言非常重要。
【成果簡介】
為了全面概述MXene基電化學器件及光電催化劑的最新進展，新加坡南洋理工大學王昕教授和Jia wei Chew助理教授（共同通訊）在Advanced Materials發表了題為“Clay-Inspired MXene-Based Electrochemical Devices and Photo-Electrocatalyst: State-of-the-Art Progresses and Challenges”的綜述文章，王侯博士為論文第一作者。該綜述主要從MXene材料的獨特價值和基本性質出發，然后總結了MXene單體, 功能化的MXene以及復合材料的合成路線，突出了其在超級電容器、電池（鋰離子電池，鋰-硫電池及其他堿金屬電池）、電催化和光催化的應用。
展開 二維過渡金屬碳/氮化物（MXene）的納米片層結構、出眾的電學性質、極性的表面性質使其在制備高效的電磁屏蔽材料方面展現出極大的潛力和競爭力。但由于MXene表面的官能團種類、片層大小以及較弱的納米片層間作用力的限制，難以制備得到兼具高彈性和高導電性的輕質可壓縮三維結構。
北京化工大學于中振教授、張好斌教授團隊展示了一種有效的方法來提高MXene基氣凝膠的彈性，同時保持其高導電性和低密度特性。基于MXene納米片與酸化碳納米管（aCNT）的協同作用，通過定向冷凍和后續冷凍干燥構建了具有類爬山虎微形貌的MXene/aCNT各向異性氣凝膠。MXene納米片構建了各向異性多孔骨架，而aCNTs像爬山虎一樣牢牢地抓住MXene納米片形成的孔壁，不僅提升了MXene基氣凝膠的強度，還實現了氣凝膠的超輕性和超彈性。同時，高導電骨架、多孔結構以及MXene和aCNT上豐富的可極化中心賦予了氣凝膠極高的電磁屏蔽性能。此外，定向多孔的全無機骨架不僅使得MXene/aCNT各向異性氣凝膠具有良好的隔熱性能，還可以經受極端溫度（-196~300℃）環境而不會發生脆斷或融化，仍然保持很好的壓縮回彈性。這些特性使該氣凝膠有望應用于熱敏感電子器件的隔熱、緩震、電磁干擾防護等領域。
本文亮點
1. 受爬山虎植物的啟發構建了一維酸化碳納米管/二維MXene納米片協同增強的輕質、高導電、超彈性的各向異性MXene/酸化碳納米管氣凝膠（MCA）；
2.
展開 三維氣凝膠由二維過渡金屬碳化物和/或氮化物(MXenes)或石墨烯納米片構成，在電磁干擾屏蔽方面表現出巨大的潛力。這些材料的特點是重量輕，機械性能優異，導電性好，比表面積大，具有仿生排列多孔結構的附加優勢，可顯著提高EMI屏蔽性能。本文綜述了近年來在MXene或石墨烯基復合氣凝膠中設計仿生單向孔隙結構的研究，促進了輕型電磁干擾屏蔽的發展。全面總結了具有排列多孔結構的MXene和石墨烯基氣凝膠的制備方法、目前的進展、面臨的挑戰以及未來的前景。這為未來開發高性能氣凝膠型電磁干擾屏蔽提供了有價值的指導。
關鍵詞：MXene、石墨烯、氣凝膠、電磁干擾屏蔽
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引言
快速發展的無線通信技術和電子設施在給生活帶來便利的同時，也使我們容易受到電磁輻射的污染。此外，在設備小型化、模塊化的趨勢下，設備之間的電磁干擾(EMI)日益嚴重。因此，探索具有高屏蔽效能(SE)的電磁干擾屏蔽材料來防止上述問題是必不可少的。最近，二維(2D)材料石墨烯、氧化石墨烯(GO)和過渡金屬碳化物和/或氮化物(MXenes)已被用作構建電磁干擾屏蔽材料的功能構建塊，因為它們具有大寬高比、與金屬相當的高導電性和低密度。石墨烯是一種具有蜂窩結構的二維碳材料。碳原子中的三個價電子形成sp2雜化軌道，剩下的一個形成一個大的π鍵，電子可以自由移動。電導率和比表面積可高達106 S/cm和2630 m2/g。同時，單層石墨烯的楊氏模量為~1.1 TPa，也受到了高度評價。此外，由于缺乏額外的官能團，石墨烯通常表現出良好的化學穩定性。對于MXenes來說，它們涉及多種元素和表面末端，這賦予了MXenes可調的化學、電氣和機械性能。迄今為止報道的MXene的電導率可以達到104 S/cm量級。
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基于mxene的排列孔結構材料
Mn+1XnTx (n=1-3)通式表示Mxenes，是過渡金屬的二維碳化物和/或氮化物。MXenes的特點在于其高導電性、表面親水性和機械穩定性，所有這些都是其獨特的二維分層結構和表面官能團陣列的結果。
二維過渡金屬碳化物或氮化物(MXenes)自發現以來，由于其固有的電子特性、大的比表面積和豐富的電化學活性位點，被廣泛應用于電化學儲能領域。然而，二維MXene片在自組裝成電極時，傾向于層層堆積在基底上，導致了正交方向上的離子通路高度曲折，阻礙了離子的可及性。
(MXenes)因其獨特的性質引起了人們極大的關注。
二維過渡金屬碳/氮化物（MXene）的納米片層結構、出眾的電學性質、極性的表面性質使其在制備高效的電磁屏蔽材料方面展現出極大的潛力和競爭力。但由于MXene表面的官能團種類、片層大小以及較弱的納米片層間作用力的限制，難以制備得到兼具高彈性和高導電性的輕質可壓縮三維結構。
【總結】
自從2011年，一個新的和不斷增長的二維（2D）過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（MXenes）問世，關于MXene材料的研究一直沒有停止。近年來MXene在催化方面的研究取得巨大的進展，然而在MXene的催化進展方面仍有很多急需解決的問題。
在后石墨烯時代，過渡金屬碳化物或氮化物（MXene）已成為一種非常重要且越來越受認可的二維納米材料。它具有許多優越的特性包括元素組成靈活可調性，金屬特性，載流子遷移各向異性，易調的能帶隙以及良好的光學和機械性能。因此被認為是擁有巨大應用潛力的新一代儲能和能源轉化材料而備受關注。
二維的金屬碳化物或氮化物（MXenes）作為新型的二維萬能材料，具有高比表面積、高電導率的特點，又具備組分靈活可調，最小納米層厚可控等優勢，在儲能和水處理以及光電化學催化等領域擁有巨大潛力。
