具有光熱轉換性能的二維MXene納米材料：合成、機理及應用
發布時間：2020-09-02 作者：harry 分享到：
過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（通常稱為MXenes）是自2011年YuryGogotsi等發現碳化鈦（Ti3C2Tx）以來的一類新型二維材料。這些材料的一般公式為Mn+1XnTx（n=1、2或3），其中M是早期過渡金屬，X是碳和/或氮，T是從合成過程中繼承的表面基團，通常為-OH、-O和-F。MXenes通常由三元碳化物或氮化物的MAX相選擇性地刻蝕A原子層制得，其中A主要是IIIA族和IVA族元素。**報道的MAX相有70多種，目前20多種基于Ti、V、Nb、Mo、Ta和Zr等的MXenes被成功合成。這種化學和結構上的多功能性使得MXenes在高導電性、大表面積等方面具有與石墨烯等其它二維納米材料的競爭優勢，在多種應用領域特別是在電池、超級電容器和催化等能量轉換和儲能領域有著廣闊的應用前景。近期，MXenes被證明具有獨特的光熱轉換特性。光熱轉換是一種原始而直接的獲取和利用太陽能的手段，其中入射光能被光熱材料吸收后轉化為熱能以供進一步利用。引入的熱量可以提高體系溫度，這通常會增加化學反應的熵，加速電子轉移的熱力學和動力學，從而提高宏觀反應速率。此外，太陽能是地球上取之不盡、用之不竭、低成本、清潔的能源，開發太陽能利用可以緩解傳統化石燃料過度使用帶來的能源危機威脅，有利于形成綠色可持續的能源體系。光熱轉換特性使得MXenes將太陽光譜響應擴展到近紅外（NIR）區域，能夠**吸收和利用太陽光，從而激發了其在溫度起主導作用的領域中的應用。例如，MXenes可用于光熱**，在光照下**部位的溫度升高，能夠**地消除**細胞而不會影響周圍健康組織。已有大量的研究報道MXenes的光熱轉換效應，然而對于它們如何用作光熱應用的光吸收劑，人們的理解是有限的。近期，Adv. Funct. Mater.在線刊登了華南師范大學環境學院李來勝教授和王靜副研究員等撰寫的題為“Insights into the Photothermal Conversion of 2D MXene Nanomaterials: Synthesis, Mechanism, and Applications”的綜述文章，胥丁心和李志東為共同作者。在這篇綜述中，作者綜述了近年來MXenes光熱轉換的研究進展，對其光熱轉化機理和應用作了較全面的總結。作者簡要總結了MXenes及其納米復合材料的合成策略，隨后對其光熱轉化機理進行了討論，然后對光熱應用的新進展進行了總結。MXenes是通過從對應的MAX相選擇性蝕刻A原子獲得的二維層狀材料。由于M-A鍵具有較高的化學活性，因此比M-X鍵更容易斷裂，從而使刻蝕過程成為可能。蝕刻的MXenes呈現松散堆積的手風琴狀結構，主要通過氫鍵或范德華力連接，通常稱為多層MXene（m-MXene）。經剝離后，m-MXene層間相互作用被削弱，形成具有單層或幾層類似于石墨烯結構的二維超薄納米片，稱為分層MXene（d-MXene）。此外，MXene也可以通過表面改性或與其他材料雜化來進一步實現功能化，以獲得物化性質更**的納米復合材料。（e）DMSO剝離后Ti2NTx-MXene的低倍和高倍TEM圖像；（g-i）從Ti3AlC2制備Ti3C2Tx的兩種方法及其自的SEM圖像。（a）M3X2Tx結構的側視圖和頂視圖示意圖，顯示各種M原子及其表面官能團；（c）Ti3C2Tx-MXenes退火后的表面改性；（d）Ti3C2Tx-MXenes退火前后的O 1s光譜；（f）刻蝕過程中添加或不添加Al3+的Ti3C2納米片的紫外-可見吸收光譜。（a）左：Bi2WO6和Ti3C2的能級結構圖，右圖：雜化材料界面的光誘導電子轉移過程；（b）二維/二維Ti3C2/Bi2WO6納米片的TEM圖；（c）多孔rGO/Ti3C2Tx薄膜制備工藝示意圖；（e）Ti3C2Tx/多壁碳納米管紙的截面掃描電鏡圖像；（f）PEG/Ti3C2Tx復合材料的合成路線圖；（g，h）PEG（85%）/Ti3C2Tx復合材料的TEM縱斷面圖像。由于光熱材料對電磁輻射（太陽光）的響應不同，因而光熱轉換機制也有所不同，，主要與它們固有的電子或帶隙結構有關，一般可分為：i）局域表面等離子體共振（LSPR）效應，ii）電子空穴的產生和弛豫，iii）共軛或超共軛效應。光熱MXenes的研究尚處于起步階段，其機理尚不完全清楚。一些開創性研究表明，MXenes的光熱轉換機理主要歸因于其**的電磁干擾屏蔽效應和LSPR效應，能夠**吸收太陽能并將其轉換為熱能存儲并利用。（b）PEG/Ti3C2Tx復合材料光熱能量轉換與存儲機理示意圖；（c）不同濃度（30、15、8、4和2ppm）的Ti3C2納米片在水中的吸收光譜；（d）純水和不同濃度（72、36、18和9ppm）Ti3C2納米片分散水懸浮液的光熱升溫曲線；（e）Ti3C2納米片分散懸浮液（36μg/mL，100μL）的循環加熱曲線。（b）MXene/纖維素膜照片（直徑15厘米，厚度0.2毫米）。插入圖是一朵該膜折疊成的花，顯示出良好的柔韌性；（c）一個太陽強度光照下的水、rGO/纖維素和MXene/纖維素膜的紅外熱像圖；（e）水、rGO/纖維素和MXene/纖維素膜在1個太陽強度光照下的水分蒸發率和太陽蒸汽效率；（f）嵌入EPA泡沫作為隔熱層的3DMAs示意圖；（g）水和3DMA表面在0、5、10和30min太陽光照下的紅外圖像；（h）借助3DMA-EPA泡沫，水在1和5太陽強度光照射下的質量變化。 （a）疏水性Ti3C2薄膜太陽能海水淡化裝置示意圖；（b）親水和疏水Ti3C2膜在24小時太陽能海水淡化前后的光學照片；（g）不同VA-MXA太陽吸收體下水體含鹽量隨輻照時間的變化；（h，i）輻照12h后，（h）Janus VA-MXA和（i）VA-MXA的掃描電鏡圖像，其各自的照片顯示在插圖中。（a）AgNP@MXene-PU復合涂層中AgNP@MXene雜化物在光照下的光熱效應示意圖；（b）純PU和0.16wt%AgNP@MXene-PU復合涂層（厚度約100μm）愈合過程的光學顯微照片和三維形貌圖；（c）0.16wt%AgNP@MXene-PU復合涂層在愈合過程中的應力應變曲線；（d）志愿者手上附著的≈100μm厚0.08 wt%AgNP@MXene-PU復合涂層的照片，以及太陽光照射1分鐘前后手部的紅外熱成像圖。（a，b）在1個太陽強度光照下，CF/MXene電極的（a）圖片和紅外圖像以及（b）CF和溫度-深度分布曲線；（c）帶有三個電極、光照窗口和水浴冷卻系統的裝置示意圖；（d）太陽光加熱的CF/MXene生物電極的示意圖；（f）生物電極在不同的低溫環境（水體溫度為10、15和20°C）和2、1.5和1個太陽強度照射下的電流生成曲線。（a）二維可生物降解PVP改性的Nb2C在NIR-I和NIR-II生物窗口中的去除體內光熱**示意圖；（b）4T1**小鼠不同方案**后16天的**區域照片；（d）不同時間間隔（0、0.5、1、2、4、12、24和48小時）**部位的光聲成像（PA）圖；（e）在pH值分別為7.4、6.0和4.5時DOX@Ti3C2納米片中DOX的釋放曲線；（f）負載DOX的Ti3C2@mMSNs-RGD的pH和光熱觸發的**釋放示意圖。（a）Ti2C3Tx-MXene/PNIPAM復合水凝膠的制備及遠程光控制；（b）冷凍干燥的MXene/PNIPAM水凝膠的SEM圖，照片如插圖所示；（c）純PNIPAM水凝膠和不同Ti2C3Tx負載量的MXene/PNIPAM水凝膠的溶脹率與溫度的關系；（d）MXene/PNIPAM水凝膠（1 mg/mL Ti2C3Tx）的溫度變化及多次熱-冷循環；（e）制備的1,2）MXene/PNIPAM和3,4）純PNIPAM水凝膠在有/無激光照射（808nm）下的液體微閥門。（b~d）（b）線性、（c）旋轉和（d）涂有PDMS@m/d-F濾紙的順時針旋轉光驅動運動，及其各自軌跡。在這篇綜述中，作者主要介紹了二維MXene材料的光熱轉換機理及其應用。作者綜述MXenes及其復合材料的合成策略，包括刻蝕和剝離、表面改性以及雜化。接著作者介紹了三種不同的光熱轉換原理，重點討論了MXenes的光熱轉換機制。隨后，詳細地介紹了MXenes光熱應用的更新進展，主要包括太陽能海水淡化、可穿戴器件、太陽能光熱電極、生物醫學應用、智能水凝膠和光致驅動器。然后，作者對基于MXene光熱材料的未來發展所面臨的挑戰和機遇提出了自己的看法。作者認為，通過精細的材料設計和跨學科的方法，二維MXene有望成為主流光熱材料之一，其應用領域也將在不久的將來得到拓展。Insights into the Photothermal Conversion of 2D MXene Nanomaterials: Synthesis, Mechanism, and Applications （Adv. Funct. Mater.2020, 2000712.）華南師范大學環境功能材料實驗室主要圍繞納米功能材料的設計和性能及其在環境修復和新能源技術等方面開展相關研究工作，目前已在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A等國際**期刊發表多篇論文。
齊岳微信公眾號
官方微信
庫存查詢