MXenes在電化學(xué)傳感及儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究進(jìn)展

鄒慧燕，張菲菲，王宗花

（青島大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東青島266071）

0 引言

石墨烯等二維材料因其優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能成為材料等相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，掀起了二維材料的研究熱潮[1]，二維材料家族的新成員MXenes也成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。MXenes是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的二維過(guò)渡金屬碳化物或碳氮化物，是通過(guò)化學(xué)刻蝕其前驅(qū)體三元金屬碳化物（MAX相）中的A元素得到的剝離產(chǎn)物[2]。MXenes前驅(qū)體MAX相是一種三元層狀材料，其化學(xué)通式為Mn+1AXn，其中M為早期過(guò)渡金屬元素（M=Ti、Sr、V、Cr、Ta、Nb、Zr、Mo、Hf），A 是第Ⅲ主族和第Ⅳ主族的金屬元素，X為碳或者碳氮復(fù)合物，剝離產(chǎn)物MXenes的化學(xué)通式為Mn+1XnTX，其中M和X與MAX相一致，M為早期過(guò)渡金屬元素，X為碳或者碳氮復(fù)合物，TX為腐蝕掉Al元素后MX其表面結(jié)合的-H、-F、-OH等官能團(tuán)[3]。為了突出MXenes是由MAX相剝離而來(lái),并且具有與石墨烯（Graphene）相似的二維結(jié)構(gòu),因而將它們統(tǒng)一命名為MXenes[4-5]。

截至目前為止，已經(jīng)有70多種MAX被研究報(bào)道，而目前通過(guò)刻蝕MAX相獲得的MXenes主要有以下幾種： Ti3C2TX、 Ti2CTX、 (Ti0.5,Nb0.5)2CTX、(V0.5,Cr0.5)3C2TX、 Ti3CNTX、 Ta4C3TX、 V2CTX、 Nb2CTX、Nb4C3TX、 (Nb0.8,Ti0.2)4C3TX、 (Nb0.8,Zr0.2)4C3TX、Mo2TiC2TX、Mo2Ti2C3TX和Cr2TiC2TX[6-11]。MXenes所具有的二維層狀形貌、可調(diào)節(jié)的表面化學(xué)環(huán)境和不同的化學(xué)組成形式等獨(dú)特的性質(zhì)使該二維材料具有良好的金屬導(dǎo)電性、親水性和功能可調(diào)性，可以根據(jù)不同性質(zhì)需要，通過(guò)化學(xué)組分的調(diào)節(jié)及表面官能團(tuán)的改變來(lái)獲得不同性質(zhì)的MXenes，因此MXenes可應(yīng)用于儲(chǔ)能、吸附、電化學(xué)傳感等諸多領(lǐng)域[10]。該文將主要從MXenes的制備及化學(xué)傳感器、電池和超級(jí)電容器的應(yīng)用方面介紹MXenes的研究進(jìn)展。

1 MXenes的制備

MAX相材料具有晶體結(jié)構(gòu)，M原子形成八面體結(jié)構(gòu)，X原子填充于八面體的空隙中，A原子插層到M和X形成的片層中，最終得到過(guò)渡金屬碳化物或碳氮化物的片層與A原子交替堆疊的Mn+1AXn結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成如圖1所示。MAX相晶體材料中，M-X鍵屬于共價(jià)鍵和離子鍵，M-A和A-A屬于金屬鍵，其鍵能低于M-X鍵，因此A原子活性較高，容易被剝離[12]。目前，合成MXenes的方法主要是化學(xué)刻蝕的方法，即根據(jù)MAX相中各元素組成或者結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)活性和穩(wěn)定性的不同，選擇性刻蝕剝離掉A原子的過(guò)程。

圖1 M2AX，M3AX2，M4AX3晶體結(jié)構(gòu)示意圖[12]Fig.1 M2AX,M3AX2,M4AX3crystal structure diagram[12]

目前刻蝕MAX相獲得MXenes材料的方法主要有三種。以經(jīng)典的Ti3AlC2為例，第一種方法是氫氟酸腐蝕法，即在室溫下Ti3AlC2在濃度為50%的氫氟酸溶液中浸泡2 h后，Al原子被完全剝離出來(lái)以獲得二維MXenes晶體材料Ti3C2[6,9,13]，其反應(yīng)過(guò)程如下：

Mashtalir等[14]進(jìn)行了進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)剝離的二維Ti3C2的表面終端基為-OH或-F,其反應(yīng)過(guò)程為:

或

第二種方法是氟鹽和鹽酸混合液刻蝕的方法，該方法同樣能將Al原子從Ti3AlC2剝離出來(lái)，同時(shí)還能不改變和損傷MAX材料本身具有的層狀結(jié)構(gòu)，與氫氟酸腐蝕法相比，更具有安全性。Ghidiu等[15]用氟化鋰和鹽酸的混合液蝕刻Ti3AlC2，最終得到黏土狀的Ti3AlC2。第三種方法是薄膜刻蝕法，Halim等[16]利用磁控濺射外延沉積法制備了薄膜狀的Ti3AlC2，然后在氟化氫銨溶液中蝕刻Ti3AlC2薄膜得到Ti3C2薄膜，其厚度約為19 nm。用于蝕刻MAX相材料的溶液雖然不僅只有氫氟酸一種，但是氟化鋰和鹽酸的混合溶液實(shí)質(zhì)上是在混合過(guò)程中通過(guò)鹽與酸的反應(yīng)來(lái)制備HF的過(guò)程，氟化氫銨在水溶液中也會(huì)電離成氟化銨和氫氟酸，最終發(fā)揮作用的仍然是氫氟酸。因此，三種刻蝕方法的實(shí)質(zhì)都是HF與Al原子發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程。

2 MXenes在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用研究

在所有的MXenes中，Ti2C是最薄的相之一，在用HF酸進(jìn)行真正的腐蝕過(guò)程中，被發(fā)現(xiàn)有幾種官能團(tuán)如F，OH和/或O被封端[13]，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，Ti2C的電子性質(zhì)主要依賴于官能團(tuán)，只有Ti2CO2呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性，Ti2C，Ti2CF2和Ti2C(OH)2表現(xiàn)出金屬特性[17]。因此，Ti2C表面官能團(tuán)的調(diào)節(jié)在化學(xué)傳感器領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值[18]。

圖2 （A）MXenes-Ti3C2的典型SEM顯微照片。（B）MXenes-Ti3C2的XRD，插圖是層結(jié)構(gòu)的原子模型（C，D）具有不同放大倍數(shù)的Nafion/Hb/MXenes-Ti3C2復(fù)合膜的典型SEM圖像[21]Fig.2 (A)Typical SEM micrographs of MXenes-Ti3C2.(B)XRD of MXenes-Ti3C2,inset is an atomic model of the layer structure.(C,D)Typical SEM images of Nafion/Hb/MXenes-Ti3C2composite films with different magnifications

Yu等[19]利用第一性原理模擬研究了單層Ti2CO2上 NH3，H2，CH4，CO，CO2，N2，NO2和 O2的吸附。在所有的氣體分子中，只有NH3能被化學(xué)吸附在Ti2CO2上，表觀電荷轉(zhuǎn)移為0.174 e。在Ti2CO2上NH3吸附之前和之后，輸運(yùn)特征顯示出明顯的I-V關(guān)系變化。因此，可以預(yù)測(cè)Ti2CO2制備的傳感器可以高選擇性和高靈敏度地檢測(cè)NH3。Wang等[20]通過(guò)在室溫下對(duì)Ti3AlC2中的Al進(jìn)行腐蝕，成功制備出一種新型的MXenes-Ti3C2納米材料，用于固定血紅蛋白（Hb）以制備不含介體的生物傳感器。電化學(xué)結(jié)果證實(shí)，MXene-Ti3C2對(duì)氧化還原蛋白具有良好的生物相容性酶固定能力，具有良好的蛋白質(zhì)生物活性和穩(wěn)定性。由于MXenes-Ti3C2的特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，促進(jìn)了Hb的直接電子傳遞，所制備的生物傳感器對(duì)H2O2檢測(cè)的線性范圍為 0.1～260 μmol/L，對(duì) H2O2的檢測(cè)性能良好，檢測(cè)限較低（基于信噪比3）。表明MXene-Ti3C2表面蛋白質(zhì)的固定是一種靈敏的、穩(wěn)定的化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建方法。Liu等[21]同樣合成了二維層狀Ti3C2基材料 （MXenes-Ti3C2）用于固定血紅蛋白（Hb）以制備無(wú)介體的生物傳感器。通過(guò)掃描電鏡和X射線衍射對(duì)MXenes-Ti3C2的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，如圖2所示。光譜和電化學(xué)結(jié)果表明MXenes-Ti3C2是一種優(yōu)良的具有生物相容性的氧化還原蛋白固定化基底，具有良好的蛋白質(zhì)生物活性和穩(wěn)定性。由于MXenes-Ti3C2具有較大的比表面積和較高的電導(dǎo)率，促進(jìn)了Hb的直接電子轉(zhuǎn)移，所制備的生物傳感器對(duì)亞硝酸鹽檢測(cè)的線性范圍為0.5～11800 μmol/L，具有良好的檢測(cè)性能，極低的檢測(cè)限為0．12 μmol/L。

Xu等[22]開(kāi)發(fā)了一種基于超薄導(dǎo)電Ti3C2-MXenes微圖案制作的FET晶體管，該微圖案用于執(zhí)行高靈敏度的無(wú)標(biāo)記多巴胺檢測(cè)，以及監(jiān)測(cè)海馬神經(jīng)元中的峰電活動(dòng)。MXenes-FET生物傳感器與長(zhǎng)期神經(jīng)元培養(yǎng)很好地兼容。Ti3C2-MXenes微圖形的透明超薄膜（≈5nm）與傳統(tǒng)的微型顯微鏡不存在干涉，因此，使用MXenes-FET進(jìn)行電測(cè)量的時(shí)間分辨率約為50 ms。這項(xiàng)研究是首次使用MXenes在細(xì)胞模型中探測(cè)生物的實(shí)驗(yàn)，制造MXenes-FET生物傳感器的方法也將有助于在擴(kuò)大MXenes在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

目前，利用MXenes構(gòu)建的化學(xué)傳感器較多，然而在實(shí)際應(yīng)用中，MXenes還可以構(gòu)建物理傳感器。在這里，Ma等[23]基于MXenes在外部壓力下發(fā)生很大改變這個(gè)基本特征制作了高度靈活和敏感的壓阻式傳感器。原位透射電子顯微鏡研究直接說(shuō)明了外部壓力下層間距離發(fā)生較大變化的特點(diǎn)，為壓阻式傳感器提供了基本的工作機(jī)制。由此產(chǎn)生的設(shè)備也顯示出高靈敏度（Gauge Factor類似于 180．1），快速響應(yīng)（＜ 30 ms）和可逆的可壓縮性。MXenes壓阻式傳感器可以檢測(cè)人體微妙的彎曲釋放活動(dòng)等弱壓力。

3 MXenes在電池領(lǐng)域的應(yīng)用研究

二維材料具有良好的導(dǎo)電性和延展性，MXenes的層狀結(jié)構(gòu)更有利于質(zhì)子的傳輸，其表面可控的官能團(tuán)使MXenes材料在電池領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景。

圖3 （a，b）HM 和 DMF（80 ℃下 24 h）嵌入之前（a）和之后（b）的 f-Ti3C2SEM 圖像，（c）f-Ti3C2的 TEM 圖像，（d）高分辨率電子顯微鏡圖像（插圖顯示了選擇的區(qū)域電子衍射（SAED）圖案）。（e，f）插圖f-Ti3C2的TEM圖像（e）和 SAED 圖形（f）。 a，b 中比例尺為 200 nm，c中 10 nm，d 中 2 nm，e中 40 nm，f中 4 nm-1[26]Fig．3 (a,b)HM and DMF(at 80 ℃ for 24 hours)embedded in the f-Ti3C2SEM images before(a)and after(b),(c)TEM images of f-Ti3C2,(d)high resolution electron microscopy Image(Inset shows selected area electron diffraction(SAED)pattern)．(e,f)Fig．TEM image(e)and SAED pattern of f-Ti3C2(f)．The scale bar in a,b is 200 nm,c is 10 nm,is 2 nm,e is 40 nm and f is 4 nm-1[26]

3.1 離子電池

MXenes在離子電池領(lǐng)域應(yīng)用的研究主要集中在鋰離子電池方面。最近研究發(fā)現(xiàn)，MXenes作為鈉離子電池電極材料表現(xiàn)出良好的電容性能。MXenes也被預(yù)測(cè)能夠承載其他離子，如K+，Ca2+，Mg2+和Al3+[24]。Tang等[25]利用密度泛函理論計(jì)算表明，MXenes材料的層狀結(jié)構(gòu)有利于Li+插層到其層間，并且其對(duì)Li+的擴(kuò)散阻力較小，同時(shí)MXenes具有良好的導(dǎo)電性，有利于其用作電極材料。Mashtalir等[26]通過(guò)將有機(jī)分子插層到MXenes中使得晶面間距變大，得到剝離形貌較好的f-Ti3C2材料，其形貌如圖3所示。用其作為鋰離子電池負(fù)極材料，研究結(jié)果表明其比容量能達(dá)到410 mAh/g。它們?cè)?1 C（260 mA/g）掃描速率下，其表現(xiàn)出比商業(yè)LIB中使用的石墨更好的Li容量。Sun等[27]用二甲基亞砜（DMSO）對(duì) Ti3C2進(jìn)行插層使得晶面間距變大，將其作為鋰離子電池的負(fù)極材料時(shí)，在1 C的測(cè)試速率下電池的比容量達(dá)到123．6 mAh/g,比未插層的Ti3C2作為活性材料的比電容提高了20%[26]，且?guī)靷愋蔬_(dá)到47%。

在關(guān)于K-ion電池（KIBs）的研究中，Xie等[28]在利用Ti3C2Tz作陰極材料，電極是沒(méi)有任何粘合劑的MXenes和炭黑粉末的簡(jiǎn)單混合物，其表現(xiàn)出較好的電極活性，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果足以說(shuō)明Ti3C2Tz能夠承載Na+和K+，從實(shí)際的電池電極結(jié)構(gòu)和活性物質(zhì)負(fù)載來(lái)看，MXenes在離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用是很有前景的。Naguib等[29]報(bào)道了KIBs陽(yáng)極材料Ti3CNTz的電化學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)Ti3CNTz作為鉀離子電池的陽(yáng)極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在20 mA/g的掃速下，經(jīng)過(guò)100次放電-充電循環(huán)后，可維持的容量為75 mAh/g。當(dāng)以10 mA/g的電流密度循環(huán)時(shí)，Ti3CNTz表現(xiàn)出90 mAh/g的穩(wěn)定容量。用于鉀離子電池的陽(yáng)極材料，Ti3CNTz表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

圖4 用于析氧反應(yīng)的Ti3C2TX-CoBDC雜化體的制備過(guò)程示意圖[32]Fig．4 Schematic diagram of preparation process of Ti3C2TX-CoBDC hybrid for oxygen evolution reaction[32]

3.2 燃料電池

Ma等[30]發(fā)現(xiàn)由二維石墨碳氮化物和碳化鈦（MXenes相）納米片構(gòu)成的自立式柔性膜在催化堿性水體系中的氧析出反應(yīng)中顯示出優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性，其源于Ti-Nx基元作為電活性部位的催化作用，以及其高親水性表面的層狀多孔結(jié)構(gòu)。由于具有與貴金屬/過(guò)渡金屬催化劑相媲美的優(yōu)異的電催化能力，并且優(yōu)于大多數(shù)自立式膜，所以它們被直接用于可充電鋅-空氣電池。研究結(jié)果表明，不同二維材料之間的相互作用可以顯著促進(jìn)氧的電化學(xué)還原過(guò)程，從而推動(dòng)整個(gè)清潔能源體系發(fā)展。Fei等[31]首次使用新型二維納米材MXenes來(lái)進(jìn)行增強(qiáng)中溫（＞100℃）聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（ITPEMFC）膜性能的研究。在研究中，合成了一種典型的Ti3C2TX-MXenes，并采用溶液共混法將其復(fù)合到聚苯并咪唑（PBI）基膜上。w=3%Ti3C2TX-MXenes復(fù)合膜在100～170℃溫度范圍內(nèi)質(zhì)子電導(dǎo)率比原始PBI膜高出2倍以上，在150℃下進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)燃料電池最大功率密度顯著提高30%。添加Ti3C2TX-MXenes也改善了PBI膜的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。在存在w=3%Ti3C2TX-MXenes時(shí)，磷酸摻雜PBI的斷裂伸長(zhǎng)率在150℃時(shí)保持不變，拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別增加約150%和約160%。這項(xiàng)研究指出了MXenes在ITPEMFC中有著光明的應(yīng)用前景。Zhao等[32]通過(guò)相互擴(kuò)散反應(yīng)輔助工藝原位雜交鈷 1,4-苯二羧酸（CoBDC）與 Ti3C2TX（MXenes相）納米片，其制備過(guò)程如圖4所示。將得到的雜化材料應(yīng)用于氧析出反應(yīng)中獲得10 mA cm-2的電流密度，此結(jié)果優(yōu)于通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IrO2基催化劑獲得的結(jié)果，并且比過(guò)渡金屬基催化劑相展現(xiàn)出更好效果?；旌霞{米片被進(jìn)一步制造成用于可再充電的鋅-空氣電池的陰極，其成功被用于發(fā)光二極管供電。相信MXenes和二維金屬有機(jī)骨架材料在界面控制下的原位雜交將為它們?cè)谌剂想姵仡I(lǐng)域的應(yīng)用中提供更多的機(jī)會(huì)。

Zou等[33]首次提出了在稀釋的HF溶液（w=0.5%）中原位合成一個(gè)新的納米花狀二氧化鈦/碳復(fù)合材料醇解二維分層MXenes（Ti3C2(OHxF1-X)(2)）。它在NaAlH4的脫氫反應(yīng)過(guò)程中表現(xiàn)出較強(qiáng)的催化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含有w=10%A(0.9)R(0.1)-TiO2/C（含90%銳鈦礦TiO2和10%金紅石TiO2）的NaAlH4僅經(jīng)過(guò)85 min即可達(dá)到穩(wěn)定的最大脫氫能力，經(jīng)十次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定，是迄今為止報(bào)道的催化NaAlH4脫氫反應(yīng)最好的Ti基催化劑。理論計(jì)算證實(shí)，這種C摻雜的TiO2晶體顯著降低了NaAlH4中Al-H鍵的解吸能壘，加速了Al-H鍵的擊穿，這一發(fā)現(xiàn)提高了新型燃料電池的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用潛力。

4 MXenes在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用研究

隨著傳統(tǒng)化石能源的枯竭和清潔能源的出現(xiàn)，電能存儲(chǔ)已經(jīng)成為迫切需要解決的問(wèn)題。超級(jí)電容器作為一種重要的儲(chǔ)能裝置，由于其功率密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，是未來(lái)電力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，吸引了廣泛的研究興趣。MXenes是近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的二維材料，具有較大的比表面積，優(yōu)異的電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性，表現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能，可用做超級(jí)電容器的電極材料[2]。但是二維過(guò)渡金屬碳化物MXenes的不可逆轉(zhuǎn)重疊限制了其發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。因此，對(duì)MXenes的修飾和功能化調(diào)節(jié)成為了近期的研究熱點(diǎn)。

Que等[34]制備了一種新型的具有核殼結(jié)構(gòu)的電極材料，由帶負(fù)電荷的層狀Ti3C2納米片（FL-Ti3C2）和帶正電的聚乙烯亞胺作為結(jié)構(gòu)單元組成，該復(fù)合材料FL-Ti3C2@Ni使用靜電逐層組裝方法制備，以高導(dǎo)電性鎳泡沫為骨架進(jìn)行組裝。核殼結(jié)構(gòu)的超Ti3C2納米片提供了優(yōu)異的電子通道、離子傳輸通道和大的有效接觸面積，因此該材料的電化學(xué)性能大大改善。在2 mV/s的掃描速率下，無(wú)粘結(jié)劑的FL-Ti3C2@Ni泡沫電極的比電容達(dá)到370 F/g，表現(xiàn)出較高的倍率性能。此外，該電極顯示出長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性，10000圈后僅損失13.7%。Zhao等[35]通過(guò)Ti3C2TX表面多巴胺的原位自聚合碳化，合成了氮摻雜碳修飾的MXenes（Ti3C2TX@NC）復(fù)合材料。NC 在 Ti3C2TX片材的表面和夾層上均勻裝飾，制備出獨(dú)特的三維復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。這種納米結(jié)構(gòu)可以賦予NC層的高表面積并有效避免Ti3C2TX片層的重新堆積，使復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性和額外的贗電容。結(jié)果表明，優(yōu)化的Ti3C2TX@NC-2復(fù)合材料在1 A/g的電流密度下比電容高達(dá)442.2 F/g，比單獨(dú)的Ti3C2TX高出281%。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，Ti3C2TX@NC具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，5000次循環(huán)后容量保持率為91.9%，10 A/g時(shí)容量保持率高達(dá)92.5%。因此，基于Ti3C2TX@NC-2的對(duì)稱超級(jí)電容器呈現(xiàn)出高能量密度和功率密度，其性能如圖5所示。

MXenes在高性能微型超級(jí)電容器（MSCs）中具有巨大的應(yīng)用潛力。在膜基底上形成MXenes以制備共面叉指電極，這是實(shí)現(xiàn)高性能MXenes平面MSC制造的關(guān)鍵。在此，Hua等[36]通過(guò)普通激光印刷、真空輔助沉積和物理濺射的組合，將少量分層的MXenes薄片快速、圖案化布置到同一平面上以制造平面對(duì)稱MSC。得到基于MXenes的不含粘合劑/導(dǎo)電添加劑的梳形電極具有獨(dú)特的層狀多孔結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)電性。制備的全固態(tài)平面MXenes型對(duì)稱型MSCs隨著MXenes電活性層厚度的增加，其最大面積電容可達(dá)27.29 mF cm-2，與碳納米管相比，至少可提高460%的電容，體積電容沒(méi)有明顯的惡化。

5 MXenes在其他領(lǐng)域的應(yīng)用研究

二維（2D）層狀碳化鈦表面上的官能團(tuán)和位點(diǎn)相互作用可以根據(jù)不同需求進(jìn)行定制來(lái)獲得一些非凡的物理性質(zhì)，因此MXenes還可應(yīng)用于吸附、潤(rùn)滑等領(lǐng)域。Peng等[37]通過(guò)化學(xué)剝離隨后堿化插層制備的20-烷烴-MXenes（Ti3C2(OH/ONa)(x)F-2_x）材料和競(jìng)爭(zhēng)性陽(yáng)離子 （Ca(II)/Mg(II)）高水平共存。動(dòng)力學(xué)測(cè)試表明，吸附平衡在120 s內(nèi)完成。具有吸引力的是，alk-MXenes具有高效的Pb（II）吸收性能，其吸附容量為4500 kg水/alke-MXenes。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究表明，吸附行為與活化鈦位點(diǎn)中的羥基有關(guān)，其中Pb（II）離子交換通過(guò)形成六方電位阱而促進(jìn)。Liu等[38]在65℃下采用濃度為40%的HF溶液選擇性腐蝕Ti3AlC25 h，合成高度脫落的Ti3C2TX納米片。測(cè)定了所制備的Ti3C2TX納米片作為添加劑在PAO8基礎(chǔ)油中的摩擦學(xué)性能。在高度剝離的Ti3C2TX納米片的添加劑濃度為w=0.8%時(shí)，實(shí)現(xiàn)了摩擦和磨損的最大降低。

圖5 （a）Ti3C2TX和Ti3C2TX@NC復(fù)合材料的XRD圖譜;（b）Ti3C2TX，NC和Ti3C2TX@NC復(fù)合材料的TGA曲線;（c）氮吸附-解吸等溫線;（d）由Ti3C2TX和Ti3C2TX@NC樣品的N2解吸等溫線計(jì)算的孔徑分布[35]Fig.5 (a)XRD patterns of Ti3C2TXand Ti3C2TX@NC composites;(b)TGA curves for Ti3C2TX,NC and Ti3C2TX@NC composites;(c)nitrogen adsorption-desorption isotherms;The pore size distribution calculated by N2desorption isotherm

6 發(fā)展與展望

綜上，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)這種類石墨烯的二維層狀材料MXenes進(jìn)行了諸多理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究，目前MXenes材料已應(yīng)用于化學(xué)傳感、儲(chǔ)能、吸附、催化、潤(rùn)滑及傳感等領(lǐng)域。但對(duì)于該新興的二維材料，MXenes的許多研究還處于研究的初期，在實(shí)際應(yīng)用中還存在諸多未突破和解決的問(wèn)題。

在制備方面，現(xiàn)階段的制備方法主要是氫氟酸刻蝕法，其對(duì)環(huán)境的影響較大，并且在刻蝕過(guò)程中對(duì)MXenes的形貌也有一定的影響，易造成二維結(jié)構(gòu)的坍塌。因此，亟待尋找更溫和、更簡(jiǎn)單和更穩(wěn)定的刻蝕方法。

在MXenes的性能方面，MXenes的表面基團(tuán)的影響不容忽視，雖然對(duì)MXenes的理論研究較多，但是在實(shí)際應(yīng)用中還有許多亟待解決的問(wèn)題。對(duì)于MXenes表明基團(tuán)的確定、對(duì)不同實(shí)驗(yàn)要求的功能化定制和對(duì)電化學(xué)性能的提高方面還有許多需要研究的地方。

自MXenes被成功制備以來(lái)短短幾年中發(fā)展迅速，基于MXenes所具備的優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能，急需制備低成本、高導(dǎo)電性及功能多樣化的MXenes復(fù)合材料，所以，對(duì)MXenes材料的進(jìn)一步研究仍具有重大意義。

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