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刘维民院士/徐路研究员/郝京诚教授:低强度离心辅助制备的多功能MXene 凝胶

  • Nano-Micro Letters 发布于 2024-03-18
  • 分类：化学科学
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研究背景

本工作通过强度离心辅助策略实现MXene凝胶的快速制备。不同于已有报道，该策略无需高浓度MXene纳米片分散液和交联剂的引入。通过改变pH可调节MXene纳米片的表面端基组分和凝胶内部微观结构，继而引发凝胶摩擦、电化学储能、红外发射和光热转化等性能的差异。本工作制备的MXene凝胶表现出可调谐润滑、极高比容量、精确的打印性和优异的红外防伪能力。

Versatile MXene Gels Assisted by Brief and Low-Strength Centrifugation

Weiyan Yu, Yi Yang, Yunjing Wang, Lulin Hu, Jingcheng Hao*, Lu Xu* and Weimin Liu

Nano-Micro Letters (2024)16: 94

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01302-3

本文亮点

1. 本工作报道了一种基于低强度离心辅助快速制备MXene凝胶的策略，该方法无需高浓度MXene纳米片分散液和交联剂的加入。

2. 基于pH诱导的MXene纳米片表面端基组分的变化，该凝胶表现出可重构的内部微观结构和可调的流变学、摩擦学、电化学、红外发射和光热转换性能。

3. 通过优化pH值，凝胶可实现高润滑、高比容量、高精度打印和优异的防伪性能。

内容简介

二维层状过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物(MXene)因其高导电性、强亲水性及表面基团易调控等特点，在能量储存与转化、润滑及3D打印等领域展现出巨大的应用潜力。但MXene纳米片的高表面能和端基之间的强静电斥力易使其在分散介质中产生无序堆叠，继而导致其性能发生极大衰减。将二维MXene纳米片自组装成拥有三维网络结构的凝胶被认为是应对这一挑战的有效方案。通过添加有机物、表面活性剂或金属离子等作为纳米片交联剂是MXene凝胶的常见构筑方式，然而交联剂的加入极有可能对MXene导电性、润滑性等带来不利影响。鉴于此，近日由刘维民院士领衔的中国科学院兰州化学物理研究所合成润滑材料组和烟台先进材料与绿色制造山东省实验室(又名黄渤海实验室)特种润滑材料与技术组合作提出了一种无交联剂的MXene凝胶的制备方法，并探索其在润滑、超级电容器、涂布/挤出打印和红外防伪等多领域应用。

图文导读

研究人员基于低强度离心辅助策略，无需引入交联剂，在30 s内即可制得MXene凝胶。

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图1. MXene凝胶的制备过程。

通过调节前驱体pH以调控MXene表面端基组分，可引发内部结构的拓扑重构。

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图2. 不同pH下MXene凝胶拓扑结构及表面端基成分的区别。

研究证实，表面化学成分及内部结构的变化可带来凝胶润滑、电化学储能、光/热转化等性能的改变，使得凝胶呈现出多功能性。具体包括：

(1)研究人员采用MXene凝胶作为润滑剂，通过对体系中pH的控制，实现了其润滑性能的突变。摩擦测试表明，pH 4凝胶的摩擦系数可降至0.1以下，较pH 10降低了约0.35，同时，磨损体积也有大幅降低，表现出优异的减摩抗磨性能，这种现象主要归因于不同pH下凝胶拓扑结构的差异。

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图3. 不同pH MXene凝胶的摩擦学性能及机理研究。

(2)研究人员利用MXene凝胶作为超级电容器电极，将其直接涂布于集流体上，从而有效避免了粘结剂的加入对电化学性能带来的负面影响。凝胶的电化学性能与其电导率及比表面积有关，二者则受其MXene纳米片表面端基及空间排布的影响，故不同 pH下MXene凝胶的电化学性能呈现出明显差异。此外，无粘结剂和交联剂的加入，也大幅提升了凝胶的导电性并提供了丰富的活性位点，继而赋予凝胶极高的比容量，其比电容值高于诸多近年来报道的 MXene基凝胶电极。

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图4. 不同pH MXene凝胶的电化学性能研究。

(3)研究人员基于MXene凝胶适宜的流变学行为，将其作为墨水用于涂布及挤出打印。研究发现凝胶的红外发射率和红外光热转化效率受其表面基团及内部结构的影响，故不同pH下的凝胶表现出非一致的热屏蔽及光热转化能力。基于此，凝胶在信息加密及红外防伪等领域表现出出色的潜在应用价值。

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图5. MXene凝胶用于涂布/挤出打印及防伪。

兰州化物所/黄渤海实验室于伟燕助理研究员为该论文的第一作者，兰州化物所/黄渤海实验室徐路研究员和山东大学/黄渤海实验室郝京诚教授为共同通讯作者。以上工作得到中国科学院率先行动“引才计划”项目、兰州化物所特聘人才计划项目、山东省自然科学基金项目和烟台先进材料与绿色制造山东省实验室柔性引进项目的支持。

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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