ACS Nano:界面电化学自组装多维 Ti3C2Tx MXene 架构及水-气凝胶应用

构建具有不同结构维度的宏观尺度功能架构的有效途径是二维 (2D) MXene 研究领域的关键挑战之一。不幸的是,与其他机械兼容的二维材料(如石墨烯)相比,在没有粘合剂的情况下组装 MXene 很大程度上受到限制,因为它具有先天的脆性和相对较弱的片间范德华接触。

ACS Nano:界面电化学自组装多维 Ti3C2Tx MXene 架构及水-气凝胶应用
最近,韩国科学技术院Joonwon Lim, 和 Sang Ouk Kim教授团队提出了一种用于功能性多维 MXene 结构的纯 Ti3C2Tx MXenes 的电化学自组装,由金属模板表面的逐层自发界面还原和随后的去功能化有效驱动。在这种方法中可以很容易地获得三维开放多孔气凝胶以及二维高度堆叠的薄膜结构,同时由于电荷捕获氧官能团的自发去除而大大增强了电性能。因此,基于多维组装的超级电容器和电磁干扰屏蔽膜表现出优异的性能。相关论文以题为Multidimensional Ti3C2Tx MXene Architectures via Interfacial Electrochemical Self-Assembly发表在《ACS Nano》上。

【主图导读】

ACS Nano:界面电化学自组装多维 Ti3C2Tx MXene 架构及水-气凝胶应用 图 1. Ti3C2Tx MXene 和多维 MXene 组装的自发凝胶化。

团队为可扩展微米厚的水凝胶提供了一种简单可靠的基于纯 MXene 的凝胶原理。将任意形状的锌模板简单地浸入 Ti3C2Tx MXene 的水分散体中,会在模板表面产生真正的 MXene 水凝胶的保形自组装。有趣的是,该凝胶化方法伴随着 MXene 构件的自发温和还原,从而在不牺牲内在亲水性的情况下增强了导电性。这种针对特定位置和性能增强的形状工程可根据定制目的实现各种基于 MXene 的高性能功能单片物体,例如优于典型 MXene 薄膜的出色 EMI 屏蔽以及高速率、高容量的超级电容器。

ACS Nano:界面电化学自组装多维 Ti3C2Tx MXene 架构及水-气凝胶应用 图 2. MXene 凝胶化机制。

ACS Nano:界面电化学自组装多维 Ti3C2Tx MXene 架构及水-气凝胶应用 图 3. 各种 MXene 组装结构和纳米材料的混合物。(a) 非平面玻璃基板上的大面积图案化 MXene 凝胶化 (b, c) 任意形状的 3D Zn 模板上的共形 MXene 凝胶化。(d) MXene IA 薄膜在金字塔形压花基板上的 SEM 图像和 (e) 相应的放大横截面图像 (f) MXene/纳米材料混合结构的SEM图像

ACS Nano:界面电化学自组装多维 Ti3C2Tx MXene 架构及水-气凝胶应用 图 4. MXene IA 薄膜和气凝胶的 EMI 屏蔽和电化学性能。

【总结】

团队探索了基于 MXene 纳米片在金属模板基底上的自发氧化还原反应的无添加剂纯 MXene 多维架构过程的基本原理。我们的方法有效地提高了 MXene 的电导率,同时保留了固有的亲水性,这归因于在温和的界面还原时部分去除氧官能团。由此产生的 MXene 组装结构不仅可以容易地转移或保形涂覆在任意形状的基底表面上,并具有选择性的精确位置,而且还可以与具有不同几何尺寸的其他功能性低维纳米材料混合。具有所需架构的表面改性 MXene 为实际应用提供了卓越的性能,包括有效的 EMI 屏蔽膜和具有高电容和倍率能力的超级电容器电极。这项工作为基于 MXene 的功能结构的表面改性和形状工程向现实世界的应用提供了宝贵的见解。

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