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天津大学《先进功能材料》:自组装MXene水凝胶构建三维宏观体

来源:高分子科学前沿 1714 2019-06-21

MXene是二维材料家族中的最新成员之一,是一种具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料。它是兼具金属级导电性和丰富表面化学的一种二维材料,在能量转化与存储、电磁屏蔽、传感等众多领域表现出极大的应用潜力。然而,与石墨烯等其他二维材料相似,团聚、堆叠问题一直是制约MXene发展的重要因素之一,解决这一问题成为科研人员的研究热点之一。


“神奇GO”助力三维凝胶化!


MXene具有良好的分散性,利用液相组装方法实现MXene三维宏观组装体的可控制备具有天然优势,然而MXene纳米片尺寸相对较小、片层柔性差、亲水性强,并且容易氧化,导致MXene在组装过程中片层堆叠趋势更强,并且要求更加温和的组装条件,要想实现MXene的三维组装面临诸多挑战。天津大学化工学院Nanoyang课题组的杨全红教授、陶莹副教授和法国图卢兹大学的PatriceSimon教授团队合作,提出氧化石墨烯(GO)引导Ti3C2Tx液相组装构建三维水凝胶的新策略与组装机制。Ti3C2Tx水凝胶的制备流程和组装机制如图1和图2所示,在乙二胺等还原剂辅助下,仅微量的GO即可与Ti3C2Tx交联并引导Ti3C2Tx纳米片与GO片层共同自组装,不仅获得力学性质优异的Ti3C2Tx水凝胶,而且实现了低浓度Ti3C2Tx分散液(1 mg mL-1)的凝胶化。


图1 Ti3C2Tx三维水凝胶的制备流程


图2 Ti3C2Tx三维水凝胶的液相组装机制


另外,将所得结构稳定的Ti3C2Tx水凝胶进一步干燥处理,可获得两种密度、孔径分布截然不同的气凝胶、干凝胶(如图3所示)。与Ti3C2Tx粉体材料相比,经组装后的Ti3C2Tx三维材料具有极其丰富的多孔网络和发达的孔隙结构,这为Ti3C2Tx的进一步应用奠定了坚实的基础。


图3 Ti3C2Tx水凝胶干燥后的宏观形貌与微观结构示意图


三维MXene展现多元魅力!


基于上述优异的结构特性与Ti3C2Tx的本征理化性质,将Ti3C2Tx水凝胶直接切片用作超级电容器电极,结果发现其不仅表现出了超高质量比容量,还具备快速的电子传导网络和离子传输通道,展示出极佳的倍率性能(如图4 a-c所示)。在5 A g-1下的质量比容量高达370 F g-1,在1000 A g-1下仍能达到165 F g-1。与此同时,干燥后的Ti3C2Tx水凝胶还展示出双功能污染物吸附特性,对有机污染物和重金属离子均具有优异的吸附性能。一方面,Ti3C2Tx气凝胶因具备非常低的密度(27 mg cm-3)对有机污染物表现出较高的吸附量,最高可达8700%(吸附CCl4);另一方面,Ti3C2Tx因Ti原子上丰富的表面官能团(-OH、-O等)对重金属离子可逆的化学吸附作用,Ti3C2Tx气凝胶与干凝胶对多种重金属离子都展现出非常高的饱和吸附量,如图4 e所示为Ti3C2Tx气凝胶对多种重金属离子的饱和吸附量,分别为Pb2+:177 mg g-1,Cu2+:169 mg g-1, Zn2+:123 mg g-1, Ni2+:169 mg g-1。


图4 Ti3C2Tx三维组装材料在超级电容器与污染物吸附中的应用


相关论文以“3D Macroscopic Architectures from Self-Assembled MXene Hydrogels”为题,发表在《Advanced Functional Materials》上。


全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201903960

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