構建具有不同結構維度的宏觀尺度功能架構的有效途徑是二維 (2D) MXene 研究領域的關鍵挑戰(zhàn)之一。不幸的是，與其他機械兼容的二維材料（如石墨烯）相比，在沒有粘合劑的情況下組裝 MXene 很大程度上受到限制，因為它具有先天的脆性和相對較弱的片間范德華接觸。
最近，韓國科學技術院Joonwon Lim, 和 Sang Ouk Kim教授團隊提出了一種用于功能性多維 MXene 結構的純 Ti3C2Tx MXenes 的電化學自組裝，由金屬模板表面的逐層自發(fā)界面還原和隨后的去功能化有效驅(qū)動。在這種方法中可以很容易地獲得三維開放多孔氣凝膠以及二維高度堆疊的薄膜結構，同時由于電荷捕獲氧官能團的自發(fā)去除而大大增強了電性能。因此，基于多維組裝的超級電容器和電磁干擾屏蔽膜表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。相關論文以題為Multidimensional Ti3C2Tx MXene Architectures via Interfacial Electrochemical Self-Assembly發(fā)表在《ACS Nano》上。
【主圖導讀】
圖 1. Ti3C2Tx MXene 和多維 MXene 組裝的自發(fā)凝膠化。
團隊為可擴展微米厚的水凝膠提供了一種簡單可靠的基于純 MXene 的凝膠原理。將任意形狀的鋅模板簡單地浸入 Ti3C2Tx MXene 的水分散體中，會在模板表面產(chǎn)生真正的 MXene 水凝膠的保形自組裝。有趣的是，該凝膠化方法伴隨著 MXene 構件的自發(fā)溫和還原，從而在不犧牲內(nèi)在親水性的情況下增強了導電性。這種針對特定位置和性能增強的形狀工程可根據(jù)定制目的實現(xiàn)各種基于 MXene 的高性能功能單片物體，例如優(yōu)于典型 MXene 薄膜的出色 EMI 屏蔽以及高速率、高容量的超級電容器。
圖 2. MXene 凝膠化機制。
圖 3. 各種 MXene 組裝結構和納米材料的混合物。(a) 非平面玻璃基板上的大面積圖案化 MXene 凝膠化 (b, c) 任意形狀的 3D Zn 模板上的共形 MXene 凝膠化。(d) MXene IA 薄膜在金字塔形壓花基板上的 SEM 圖像和 (e) 相應的放大橫截面圖像 (f) MXene/納米材料混合結構的SEM圖像
圖 4. MXene IA 薄膜和氣凝膠的 EMI 屏蔽和電化學性能。
【總結】
團隊探索了基于 MXene 納米片在金屬模板基底上的自發(fā)氧化還原反應的無添加劑純 MXene 多維架構過程的基本原理。我們的方法有效地提高了 MXene 的電導率，同時保留了固有的親水性，這歸因于在溫和的界面還原時部分去除氧官能團。由此產(chǎn)生的 MXene 組裝結構不僅可以容易地轉移或保形涂覆在任意形狀的基底表面上，并具有選擇性的精確位置，而且還可以與具有不同幾何尺寸的其他功能性低維納米材料混合。具有所需架構的表面改性 MXene 為實際應用提供了卓越的性能，包括有效的 EMI 屏蔽膜和具有高電容和倍率能力的超級電容器電極。這項工作為基于 MXene 的功能結構的表面改性和形狀工程向現(xiàn)實世界的應用提供了寶貴的見解。
