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AFM:功能化2D Mxene纳米材料在下一代器件方面的最新研究进展

科技工作者之家 09月30日

来源:高分子科学前沿

一、研究背景

MXene自2011年出世之后,截止到目前研究者已经合成了150多种MAX相和30种MXene。二维过渡金属碳化物和氮化物(MXene)在能源存储与转化、传感器、电磁干扰屏蔽和光照疗法方面具有极大的应用潜力,是因为其导电性和亲水性好,比电容大,高光照效应和优异的电化学性能。为了进一步拓展应用范围,充分发挥其潜在优势,近年来人们通过掺杂、表面功能化和杂化等多种方法,合理设计和开发了系列MXene纳米结构材料,开发的这些材料适用于具有低功耗、智能化和高集成芯片优点的新的下一代器件的不断向前发展。

2.成果简介

基于此,深圳大学张晗教授团队和南通大学黄伟春、胡兰萍教授团队系统的总结了功能化2D MXene纳米结构的合成路线和应用领域,包括表面修饰的2D Mxene和混合尺寸的Mxene基异质结结构,重点介绍了功能性2D MXene纳米结构的在能量存储和转换、催化、传感器、光电探测器、电磁干扰屏蔽、降解和生物医学应用等方面的应用,并提出了这些新兴领域的挑战和前景。激发更多的研究者努力去进行新的功能性二维MXene基器件的基础研究,以满足下一代系统不断增长的需求。研究成果以题为“RecentAdvances in Functional 2D MXene-Based Nanostructures for Next-GenerationDevices”发表在材料学顶级期刊《Adv. Funct. Mater. 》。

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图1 功能化Mxene材料的合理设计和应用领域

三、内容要点

3.1功能化2DMxene材料的合成

主要包括三个方面

(1)单杂原子修饰的2D MXene:为了提高MXene电极的电化学性能,最有效的方法是增强MXene的层间间距,常用的策略是在层状MXenes中掺杂杂原子(N、S、P)。

(2)小分子表面修饰2D MXene:小分子具有成本低、易改性和选择性多样化的优点,所以用小分子修饰的MXene可以进一步优化MXene的性能,包括溶液稳定性、导电性和机械性能。

(3) 大分子修饰的2D MXene:MXene表面具有丰富的活性位点,可以通过原位聚合或非原位共混等方法与多种聚合物结合。原位聚合法制备的MXene/聚合物复合材料具有组分和结构明确等优势,MXene和聚合物之间的静电作用与氢键都能有效的增强他们之间的相互作用。

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图2 功能化2DMxene材料的合成:A)单原子修饰的2D MXene,B)小分子表面修饰2DMXene的结构表征,C)大分子修饰的2D MXene的形貌和结构特征.

3.2 混合尺寸的2D MXene基异质结结构

这部分纳米材料异质结结构,包括2D MXene/0D纳米材料,2D MXene/1D纳米材料,2D MXene/2D纳米棒,2D MXene/3D多级结构。

(ⅰ)0D纳米材料的聚合降低了MXene高表面能,把0D材料引进2D MXene可以综合各组分优势,克服缺点。

(ⅱ)典型的1D纳米结构包括纳米线、纳米管、纳米棒和纳米带。二维和一维材料的结合将充分发挥结构优势,使得MXene达到理想的性能。

(ⅲ)2D材料主要包括石墨烯、二硫化钼、磷烯等。将2D薄片材料紧密的修饰在MXene表面,可以显著改善其性能。

(ⅳ)由于MXene在电磁干扰屏蔽、电池、超级电容器、和催化等领域的重要作用,基于MXene的多层纳米结构引起了广泛关注

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图3混合尺寸的2D MXene基异质结结构:A )2D MXene/0D纳米材料,B)2D MXene/1D纳米材料,C)2D MXene/2D纳米棒,D)2D MXene/3D多级结构

3.3 应用领域

功能化2D MXene的由于具有多重优势,现在主要应用领域有能源存储和转化、催化、传感,光电感应器、电磁波屏蔽器、降解和生物医学领域都有广泛的应用前途。

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图4 功能化2DMXene材料应用领域:A)能源存储和转化, B)催化,C)传感,D)光电感应器,E)电磁波屏蔽器,F)降解,G)生物医学领域。

4.结论和展望

这篇综述详细了概述功能化2D MXene材料的研究进展,也阐述了目前其发展的主要挑战和应用前景。在不受点阵匹配和加工相容性限制的情况下,高度异质化的纳米材料可以与二维MXene组装在一起,在宏观上形成广泛的异质结构或有序结构,推动了高性能新器件的应用,如用于电池和超级电容器的柔性和可伸缩电极、柔性电子产品、新型高效催化剂和智能传感器,从而为下一代设备开辟了新的领域.

材料 纳米 结构 功能化

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