【背景介紹】

MXenes是道自一種新興的二維（2D）材料，其分子式為M_n+1X_nT_x，組裝其中M是凝膠過渡金屬，X代表C或N元素，構建觀結構材T_x表示表面官能團。料牛它們獨特的道自結構和表面化學賦予MXenes許多優異性能，但是組裝與其他2D材料類似，其堆疊、凝膠團聚問題極大的構建觀結構材制約了MXenes性能的發揮，進而嚴重限制了它們在許多領域中的料牛應用。將2D MXene片組裝成3D宏觀結構對于克服2D MXene片嚴重的道自堆疊團聚問題和開發基于MXene的功能材料是非常理想的。然而，組裝與石墨烯不同的凝膠是，由于MXene的構建觀結構材固有特性，很難直接從單個的料牛2D MXene直接組裝成具有穩定網絡連接的3D宏觀結構的MXene。

【成果簡介】

近日，天津大學化工學院Nanoyang課題組的楊全紅教授、陶瑩副教授聯合法國圖盧茲大學的Patrice Simon教授（共同通訊作者）共同報道了一種新的凝膠化方法，在氧化石墨烯（GO）和合適的還原劑的輔助下，成功實現了2D Ti₃C₂T_x納米片的液相自組裝，不僅獲得了結構穩定、力學強度較高的3D Ti₃C₂T_x水凝膠（MXH），而且極大的降低了其液相組裝分散液的濃度閾值。該水凝膠作為超級電容器電極時，在5 A/g時提供高達370 F/g的比電容，即使在1000 A/g時，其電容也達到165 F/g，顯示出極高的倍率性能。此外，利用可控的干燥過程，由Ti₃C₂T_x水凝膠可獲得密度、孔徑分布截然不同的疏松多孔氣凝膠和致密干凝膠。結果發現，3D多孔Ti₃C₂T_x氣凝膠具有良好的吸附能力，能作為一種雙功能吸附劑同時去除各種有機污染物和重金屬離子；而致密的干凝膠展示出優異的力學性質，具有高的楊氏模量和硬度。研究成果以題為“3D Macroscopic Architectures from Self-Assembled MXene Hydrogels”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、MXene水凝膠形成過程示意圖

圖二、MXH干燥后的宏觀形貌和微觀結構
（a-c）冷凍干燥后，所得F-MXM的光學照片和不同放大倍數下SEM圖；

（d-f）毛細蒸發干燥后，所得D-MXM的光學照片和不同放大倍數下SEM圖；

（g-h）MXene粉末與MXMs的氮氣吸脫附等溫線、孔徑分布曲線。

圖三、MXH和F-MXM的表征
（a, b）不同放大倍數下MXH的TEM圖；

（c）F-MXM的SEM圖和相應Ti、C、O、N、F元素分布圖；

（d）EDA-rGO、MXene粉末和F-MXM的XRD譜圖；

（e）不同氧化石墨烯添加量所得水凝膠的光學照片。

圖四、MXene組裝的可能機理
（a）MXene粉末和F-MXM的Ti 2p分峰圖譜；

（b）MXH的形成機理示意圖；

（c）不同還原劑制備MXene水凝膠成膠前后的實物圖。

圖五、MXH電極的電化學性能和雙功能吸附劑F-MXM的吸附性能
（a-c）MXH、MX/GN膜和MXene膜電極的電化學性能對比；

（d）F-MXM對多種有機污染物的吸附能力；

（e）F-MXM對幾種重金屬離子的飽和吸附量；

（f）F-MXM對CCl₄和Pb²⁺的吸附再生能力。

【總結】

綜上所述，作者報道了在GO和乙二胺存在下，能夠通過液相組裝實現Ti₃C₂T_x凝膠化制備3D Ti₃C₂T_x宏觀體。在凝膠化過程中，GO作為交聯劑，乙二胺引發GO層上的環氧基開環形成的懸氧鍵與表面官能團豐富的Ti₃C₂T_x納米片發生交聯進而隨GO片層共同搭接形成水凝膠。Ti₃C₂T_x水凝膠用作超級電容器電極時，具有優異的質量比電容和倍率性能。經不同溶劑脫除方式，其進一步被轉化為具有不同多孔結構的3D宏觀塊體，具有更佳的結構穩定性和熱穩定性，成為一種重要的功能材料。質地疏松的Ti₃C₂T_x泡沫表現出優異的吸附性能，作為雙功能吸附劑能有效吸附各種有機污染物和多種重金屬離子；而致密的Ti₃C₂T_x硬棒具有優異的力學性質，高的楊氏模量和硬度。該研究對推動MXene基功能材料的實用化與長足發展意義深遠，并為更好地設計和組裝2D納米材料提供了新思路。

文獻鏈接：3D Macroscopic Architectures from Self-Assembled MXene Hydrogels（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201903960）

Nanoyang課題組簡介：在楊全紅教授（國家杰青、萬人領軍、“科睿唯安”和“愛思唯爾”高引科學家）的帶領下，實驗室十年磨一劍，始終堅持“做有用的研究，講有趣的故事”，以“碳功能材料”為研究入口，以“高性能電化學儲能”為應用出口，研究碳功能材料結構設計、制備科學和能量存儲與轉化機制，從策略、方法、材料、電極、器件五個方面提出構建致密儲能器件的全鏈條解決方案，致力于突破產業發展瓶頸。此外，在鋰硫催化、鈉電負極與電解液、二維材料組裝策略、金屬鋰負極保護等多方面取得了一些有意義的研究成果，詳見課題組網站：http://nanoyang.tju.edu.cn。

本文由CQR編譯。

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