將 MXene 納米片的協(xié)同特性擴(kuò)展到微孔氣凝膠結(jié)構(gòu)需要有效的策略來(lái)克服納米片重新堆疊而不影響 MXene 的優(yōu)勢(shì)特性。3D MXene 氣凝膠的傳統(tǒng)組裝方法通常涉及外部粘合劑/模板和/或額外的功能化，這會(huì)犧牲 MXene 氣凝膠的導(dǎo)電性和電化學(xué)活性。
最近，馬里蘭大學(xué)Po-Yen Chen教授團(tuán)隊(duì)受 Phrynosoma cornutum 分層紋理的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了皺褶紋理的 Ti3C2Tx MXene 平臺(tái)以促進(jìn) Mg2 誘導(dǎo)的組裝，從而能夠在沒(méi)有聚合物粘合劑的情況下保形形成大面積 Mg2 -MXene 氣凝膠。通過(guò)刮刀技術(shù)和冷凍干燥，Mg2 -MXene 氣凝膠具有定制的形狀/尺寸，具有高表面積 (140.5 m2 g-1)、優(yōu)異的導(dǎo)電性 (758.4 S m-1) 和在水中的高穩(wěn)定性.高導(dǎo)電性 MXene 氣凝膠展示了其從宏觀技術(shù)（例如，電磁干擾屏蔽和電容去離子（CDI））到片上電子（例如，準(zhǔn)固態(tài)微型超級(jí)電容器（QMSC））的多種應(yīng)用。作為 CDI 電極，Mg2 -MXene 氣凝膠表現(xiàn)出高鹽吸附能力（33.3 mg g-1）和長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性（超過(guò) 30 次循環(huán)），與文獻(xiàn)進(jìn)行了極好的比較。此外，與其他最先進(jìn)的 QMSCs 相比，具有交叉 Mg2 -MXene 氣凝膠電極的 QMSCs 表現(xiàn)出高面積電容 (409.3 mF cm-2)，具有優(yōu)異的功率密度和能量密度。相關(guān)論文以題為Metal Ion-Induced Assembly of MXene Aerogels via Biomimetic Microtextures for Electromagnetic Interference Shielding, Capacitive Deionization, and Microsupercapacitors發(fā)表在《Advanced Energy Materials》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖1 受 Phrynosomacornutum 啟發(fā)的 MXene 微紋理具有高水傳輸速度和卓越的儲(chǔ)水能力。
圖2 用于可擴(kuò)展制造無(wú)粘合劑 MXene 氣凝膠的仿生 MXene 組裝平臺(tái)。a) 通過(guò)仿生 MXene 組裝平臺(tái)和Mg2 誘導(dǎo)的凝膠化可擴(kuò)展制造 Mg2 -MXene 氣凝膠的示意圖。b)沉積在 CT-MXene 涂層上的厚而均勻的 Mg2 -MXene 水凝膠的數(shù)碼照片。c)比較使用刨刀和 CT-MXene 涂層獲得的 Mg2 -MXene 水凝膠。d) Mg2 -MXene 氣凝膠的 SEM 圖像以及 Ti 和 Mg 元素的 EDX 映射。e) Mg2 -MXene 氣凝膠的 SEM 圖像。f）原始MXene薄膜、Mg2 -MXene氣凝膠和酸洗MXene氣凝膠的XRD圖譜。g) 原始 MXene 薄膜、Mg2 -MXene 氣凝膠和酸洗 MXene 氣凝膠的 Mg 2p 光譜。h) 原始 MXene 薄膜、Mg2 -MXene 氣凝膠和酸洗 MXene 氣凝膠的 O 1s 光譜。i) 原始 MXene 薄膜、原始 MXene 氣凝膠、Mg2 -MXene 氣凝膠和酸洗 MXene 氣凝膠的 BET 等溫線。
圖3 具有多功能性的大面積 Mg2 -MXene 氣凝膠的可擴(kuò)展制造。a）大面積Mg2 -MXene氣凝膠可擴(kuò)展制造的數(shù)碼照片。b) EMI 屏蔽機(jī)制的示意圖。c) 原始 MXene 薄膜、原始 MXene 氣凝膠和 Mg2 -MXene 氣凝膠的 EMI 屏蔽性能。d) CDI 過(guò)程的示意圖。原始 MXene 薄膜和 Mg2 -MXene 氣凝膠的 CDI 性能在 1000 mg mL-1 NaCl 溶液中根據(jù) e) NaCl 溶液的電導(dǎo)率變化和 f) 電極的相應(yīng)電流變化進(jìn)行測(cè)量。g) 大面積 Mg2 -MXene 氣凝膠和原始 MXene 膜在 1.4 V 的 NaCl 溶液中 1000 mg L-1 的 SAC 變化。h) 大面積 Mg2 -MXene 氣凝膠和原始 MXene 膜在 1000 mg L-1 NaCl 溶液中施加不同電壓的 SAC。i) Mg2 -MXene 氣凝膠在 1000 mg L-1 的 NaCl 溶液中，電壓為 1.4 V，循環(huán) 30 次后的容量保持率。j) 已報(bào)道的 CDI 電極與該 Mg2 -MXene 氣凝膠之間的體積吸附容量和重量吸附容量的比較。
圖4 Mg2 -MXene 氣凝膠 QMSCs 的制備和電化學(xué)表征。a) Mg2 -MXene 氣凝膠 QMSCs 的制備包括四個(gè)步驟：i) CT-MXene/PS 器件的制備，ii) 金屬離子誘導(dǎo)組裝用于 MXene 凝膠化，iii) 冷凍干燥過(guò)程，以及 iv) Mg2 -MXene 的制備 氣凝膠 QMSC。嵌入的 SEM 圖像顯示了 CT-MXene QMSC 和 Mg2 -MXene 氣凝膠 QMSC 中的叉指電極。
【總結(jié)】
該團(tuán)隊(duì)展示了一種通用且可擴(kuò)展的途徑，通過(guò)在仿生 CT-MXene 平臺(tái)上進(jìn)行金屬離子誘導(dǎo)組裝，實(shí)現(xiàn) 3D MXene 氣凝膠的可擴(kuò)展制造。仿生 CT-MXene 平臺(tái)旨在促進(jìn)金屬離子的分布，從而實(shí)現(xiàn)大面積厚 Mg2 -MXene 氣凝膠的保形生長(zhǎng)。與聚合物粘合劑相比，金屬離子（例如，Mg2 ）能夠與 MXene 納米片的–OH 基團(tuán)形成強(qiáng)絡(luò)合，并作為有效的納米柱來(lái)減少納米片的重新堆疊。此外，Mg2 的嵌入在很大程度上保留了 MXene 納米片的導(dǎo)電性能，并進(jìn)一步提高了所得 Mg2 -MXene 氣凝膠在水中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性。 Mg2 -MXene 氣凝膠的高潛力已在多個(gè)長(zhǎng)度尺度的各種應(yīng)用中得到證明。在宏觀尺度上，Mg2 -MXene 氣凝膠作為微咸水中 CDI 的電極表現(xiàn)出出色的 EMI 屏蔽性能和優(yōu)異的鹽吸附性能。當(dāng)用作 QMSC 中的微圖案電極時(shí)，Mg2 -MXene 氣凝膠實(shí)現(xiàn)了極好的面電容和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，這是由于高電子轉(zhuǎn)移率和快速離子向 3D 多孔結(jié)構(gòu)中的氧化還原活性位點(diǎn)傳輸。
參考文獻(xiàn)：doi.org/10.1002/aenm.202101494
