MXene（Ti3C2Tx）是一種具有金屬導電性和膠體加工性獨特結(jié)合的新型二維材料，在儲能、電磁干擾屏蔽、催化等儲能等領域具有重要研究價值，是目前最熱門的幾種二維材料之一。部分研究表明，Ti3C2Tx引入水凝膠，可以提高凝膠的導電性/導熱性。但缺乏易于調(diào)節(jié)的表面化學性，Ti3C2Tx很難組裝成純水凝膠。為解決這一難點，通常會加入高分子凝膠劑（氧化石墨烯和聚合物）或鹽（多價陽離子），采用水熱法或干法復水法制備Ti3C2Tx復合水凝膠。然而，由于引入外來組分，復合水凝膠的導電性通常受到限制，難以精細控制凝膠體系中的微觀結(jié)構(gòu)，給材料的實際應用帶來了障礙。因此，制備具有高度可調(diào)微觀結(jié)構(gòu)的高性能純Ti3C2Tx水凝膠是一個巨大挑戰(zhàn)。
近日，清華大學李春副教授團隊利用冷凍誘導預組裝和特殊設計的質(zhì)子酸解凍方法，制備出原始Ti3C2Tx水凝膠基質(zhì)。研究表明，Ti3C2Tx水凝膠微觀結(jié)構(gòu)完整且呈現(xiàn)垂直排列，在垂直方向上顯示出優(yōu)異的機械性能/導電性和較大的各向異性比。此外， 各向異性Ti3C2Tx水凝膠還有助于垂直通道內(nèi)的快速傳質(zhì)，在太陽能蒸汽發(fā)電（1kW m?2輻射下可達1.90 kg m?2 h?1）方面有著潛在的應用前景。相關工作以“Pristine Titanium Carbide MXene Hydrogel Matrix”發(fā)表在《ACS NANO》。
純Ti3C2Tx水凝膠的制備：
將Ti3C2Tx分散體冷凍，在冰晶的引導下對Ti3C2Tx納米片進行預組裝，形成冷凍凝膠。然后，加入5mHCl用于解凍凍融樣品。最后，反復透析Ti3C2Tx水凝膠，直到透析液變?yōu)橹行裕纯傻玫郊僒i3C2Tx水凝膠。
純Ti3C2Tx水凝膠的形成機理及性能：
在冷凍過程中，冰晶在Ti3C2Tx分散體內(nèi)沿溫度梯度方向生長，通過調(diào)整冷凍方向和凍結(jié)速度，微調(diào)的微觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)建各向異性Ti3C2Tx凍膠。酸處理樣品過程中，嵌入的Li+與水合質(zhì)子發(fā)生交換，通過靜電作用穩(wěn)定水凝膠基質(zhì)，優(yōu)化凝膠的傳質(zhì)和傳熱性，防止了融化過程中Ti3C2Tx壁的膨脹和分解，保持微觀結(jié)構(gòu)。同時，經(jīng)過酸的處理，材料的冰點降低到?20°C以下，因此，在解凍過程中，凍膠的原始微觀結(jié)構(gòu)得到了很好的保存。
研究發(fā)現(xiàn)：Ti3C2Tx水凝膠（固體含量5 wt%）表現(xiàn)出高壓縮模量達2.4 MPa（圖5所示）；Ti3C2Tx水凝膠（固體含量3 wt%）能夠承受100 g的重量，而不會出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)變形（相當于10 kPa施加的壓縮應力）。同時，長程定向原始Ti3C2Tx水凝膠的各向異性比（定義為平行和正交方向的電導率之比）約為3?4，平行方向上電導率的最高可達220 S m?1（5 wt%固體含量）。因此，原始Ti3C2Tx水凝膠中高可調(diào)的電子輸運行為在水凝膠生物電子學有潛在應用前景。
此外，長程取向微觀結(jié)構(gòu)的原始Ti3C2Tx水凝膠，垂直排列的通道應滿足快速水傳輸路徑的要求（圖6所示），最高的蒸發(fā)率達1.90 kg m?2 h?1，總的能量轉(zhuǎn)換效率約為97%，即使在黑暗環(huán)境中的高蒸發(fā)率可達0.5 kg m?2 h?1。此外，在較高的光照濃度下或儲存2周后，原始Ti3C2Tx水凝膠的太陽能蒸汽發(fā)生率也很穩(wěn)定，可滿足實際應用的器件構(gòu)建。
小結(jié)：綜上所述，采用自行設計的原位插層化學改性解凍工藝與冰模板預組裝相結(jié)合，制備出微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)的純Ti3C2Tx水凝膠。由于不含外源凝膠和高度各向異性的微觀結(jié)構(gòu)，純Ti3C2Tx水凝膠顯示出了良好的機械性能、導電性和具有競爭力的太陽能蒸汽發(fā)電性能，可在生物電子學，離子電子學，能量儲存，結(jié)構(gòu)材料，生物相容材料等廣泛領域有潛在應用。
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