【引言】
MXenes是一種新興的二維（2D）材料，其分子式為Mn+1XnTx，其中M是過渡金屬，X代表C或N元素，Tx表示表面官能團(tuán)。它們獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)賦予MXenes許多優(yōu)異性能，但是與其他2D材料類似，其堆疊、團(tuán)聚問題極大的制約了MXenes性能的發(fā)揮，進(jìn)而嚴(yán)重限制了它們在許多領(lǐng)域中的應(yīng)用。將2D MXene片組裝成3D宏觀結(jié)構(gòu)對于克服2D MXene片嚴(yán)重的堆疊團(tuán)聚問題和開發(fā)基于MXene的功能材料是非常理想的。然而，與石墨烯不同的是，由于MXene的固有特性，很難直接從單個的2D MXene直接組裝成具有穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)連接的3D宏觀結(jié)構(gòu)的MXene。
【成果簡介】
近日，天津大學(xué)化工學(xué)院Nanoyang課題組的楊全紅教授、陶瑩副教授聯(lián)合法國圖盧茲大學(xué)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(shí)現(xiàn)了2D Ti3C2Tx納米片的液相自組裝，不僅獲得了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、力學(xué)強(qiáng)度較高的3D Ti3C2Tx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(dá)370 F/g的比電容，即使在1000 A/g時，其電容也達(dá)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Ti3C2Tx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(jié)果發(fā)現(xiàn)，3D多孔Ti3C2Tx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(jī)污染物和重金屬離子；而致密的干凝膠展示出優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，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(fā)布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。
【圖文導(dǎo)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(jié)構(gòu)
（a-c）冷凍干燥后，所得F-MXM的光學(xué)照片和不同放大倍數(shù)下SEM圖；
（d-f）毛細(xì)蒸發(fā)干燥后，所得D-MXM的光學(xué)照片和不同放大倍數(shù)下SEM圖；
（g-h）MXene粉末與MXMs的氮?dú)馕摳降葴鼐€、孔徑分布曲線。
圖三、MXH和F-MXM的表征
（a, b）不同放大倍數(shù)下MXH的TEM圖；
（c）F-MXM的SEM圖和相應(yīng)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(xué)照片。
圖四、MXene組裝的可能機(jī)理
（a）MXene粉末和F-MXM的Ti 2p分峰圖譜；
（b）MXH的形成機(jī)理示意圖；
（c）不同還原劑制備MXene水凝膠成膠前后的實(shí)物圖。
圖五、MXH電極的電化學(xué)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(xué)性能對比；
（d）F-MXM對多種有機(jī)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。
【小結(jié)】
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(shí)現(xiàn)Ti3C2Tx凝膠化制備3DTi3C2Tx宏觀體。在凝膠化過程中，GO作為交聯(lián)劑，乙二胺引發(fā)GO層上的環(huán)氧基開環(huán)形成的懸氧鍵與表面官能團(tuán)豐富的Ti3C2Tx納米片發(fā)生交聯(lián)進(jìn)而隨GO片層共同搭接形成水凝膠。Ti3C2Tx水凝膠用作超級電容器電極時，具有優(yōu)異的質(zhì)量比電容和倍率性能。經(jīng)不同溶劑脫除方式，其進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為具有不同多孔結(jié)構(gòu)的3D宏觀塊體，具有更佳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，成為一種重要的功能材料。質(zhì)地疏松的Ti3C2Tx泡沫表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能，作為雙功能吸附劑能有效吸附各種有機(jī)污染物和多種重金屬離子；而致密的Ti3C2Tx硬棒具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，高的楊氏模量和硬度。該研究對推動MXene基功能材料的實(shí)用化與長足發(fā)展意義深遠(yuǎn)，并為更好地設(shè)計和組裝2D納米材料提供了新思路。
文獻(xiàn)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(lǐng)軍、“科睿唯安”和“愛思唯爾”高引科學(xué)家）的帶領(lǐng)下，實(shí)驗(yàn)室十年磨一劍，始終堅(jiān)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(xué)儲能”為應(yīng)用出口，研究碳功能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備科學(xué)和能量存儲與轉(zhuǎn)化機(jī)制，從策略、方法、材料、電極、器件五個方面提出構(gòu)建致密儲能器件的全鏈條解決方案，致力于突破產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸。此外，在鋰硫催化、鈉電負(fù)極與電解液、二維材料組裝策略、金屬鋰負(fù)極保護(hù)等多方面取得了一些有意義的研究成果，詳見課題組網(wǎng)站：http://nanoyang.tju.edu.cn。
本文由CQR編譯。
（來源：材料人）
