Adv. Mater. :“卤水点豆腐”-金属离子诱导MXene快速凝胶化

Adv. Mater. :“卤水点豆腐”-金属离子诱导MXene快速凝胶化第一作者:Deng Yaqian(邓亚茜),Shang Tongxin(尚童鑫),Wu Zhitan(吴志坦)

通讯作者:杨全红教授,吕伟副研究员

通讯单位:清华大学深圳研究生院,天津大学

    近日,天津大学杨全红教授、清华大学深圳研究生院吕伟副研究员(共同通讯作者)首次使用二价金属离子诱导MXenes分散液快速凝胶化,并在 Adv. Mater. 上发表了题为“Fast Gelation of Ti3C2Tx MXene Initiated by Metal Ions”的研究论文。二价金属离子与MXene表面上-OH基团之间的强相互作用在凝胶化过程中起着关键作用。与“卤水点豆腐”过程相似,在MXene分散液中引入的Fe2+离子,破坏了MXene纳米片之间的静电排斥力,并作为交联剂将其连接在一起,形成具有三维网络结构的MXene水凝胶。所获得的水凝胶有效地避免了MXene纳米片的堆叠,极大地改善了其表面利用率,将水凝胶直接用作超级电容器电极时具有较高倍率性能(1 V·s-1下≈226 F·g-1)。

    由于二维MXene纳米片的无序堆叠,致使其可接触表面积损失、离子扩散阻力增加,极大地降低其电化学性能。同为二维材料的石墨烯也面临同样的困境,但其可通过自组装形成三维结构,从而有效解决上述问题。氧化石墨烯(GO)的凝胶化是制备石墨烯基三维组装结构的主要方法,该过程通过调控溶液中GO纳米片的表面化学,使纳米片与水相分离而引发。然而,其他二维材料(如过渡金属二硫化物(TMD)、过渡金属氧化物(TMOs)和六方氮化硼(h-BN)的凝胶化很难实现,因为其表面上的官能团较少,在水溶液中的分散性较差。与上述二维材料不同,通过选择性蚀刻制备的MXenes表面具有许多官能团 (-F、-O和-OH),在水中具有良好的分散性,因此具有液相三维组装的潜力。

Adv. Mater. :“卤水点豆腐”-金属离子诱导MXene快速凝胶化1  MXene纳米片的凝胶化过程。a) MXene 纳米片与金属离子交联实现凝胶化的示意图;b-d) MXene分散液、水凝胶和水凝胶冻干后的照片;e) 使用分散液浓度为5和10 mgmL-1形成MXene水凝胶的储能模量和损耗模量。

Adv. Mater. :“卤水点豆腐”-金属离子诱导MXene快速凝胶化2 MXene和MXene宏观体的结构表征。a) MXene水凝胶冻干后的SEM图像;b) 原始MXene粉末的TEM图像;c,d) MXene水凝胶冻干后的TEM图像;e) MXene水凝胶冻干后和原始MXene粉末的氮气吸-脱附曲线;f) MXene水凝胶冻干后和原始MXene粉末的XRD图谱;g) MXene水凝胶冻干后的水接触角测试。

Adv. Mater. :“卤水点豆腐”-金属离子诱导MXene快速凝胶化图3 MXene三维组装体的表面化学。a) MXene分散液和FeCl2的Zeta电位;b) MXene与Fe2+复合后的TEM图像;c-e) 原始MXene粉末和冻干后MXene水凝胶的O 1s XPS、F 1s XPS以及Ti 2p XPS光谱;f) MXene与不同金属离子混合的照片。

Adv. Mater. :“卤水点豆腐”-金属离子诱导MXene快速凝胶化4 原始MXene粉末制备的电极和MXene水凝胶在3 M H2SO4电解液中的电化学性能。a) 由MXene水凝胶制成的电极照片;b,c) MXene粉末和水凝胶在不同扫速下的循环伏安曲线(CV);d) 不同扫速下MXene粉末和水凝胶的倍率性能;e) 20 mVs-1扫速下MXene粉末和水凝胶在5个循环后的电化学阻抗谱数据;f) MXene水凝胶电极的电容保持试验,内图为首循环和第10000次循环MXene水凝胶的CV曲线(扫速为1 V·s-1)。

   综上所述,作者通过简单的使用二价金属离子诱导了MXenes的快速凝胶化,与GO凝胶化过程相似,该工艺有效地抑制了MXene 纳米片的堆叠并提高了其在用于超级电容器时的表面利用率和倍率性能。在该方法中,作者发现二价金属离子破坏MXene纳米片静电排斥力后与MXene上的-OH基团稳定结合,并起到连接位点的作用,实现MXene纳米片在水溶液中的快速凝胶化。上述凝胶化过程易于实现,并保留了MXene纳米片的特性。直接使用水凝胶作为超级电容器的电极显示出优异的倍率性能(扫速为2和1000 mV·s-1时容量分别为272和226 F·g-1),在高性能储能器件中显示出巨大潜力。

Yaqian Deng, Tongxin Shang, Zhitan Wu, Ying Tao, Chong Luo, Jiachen Liang, Daliang Han, Ruiyang Lyu, Changsheng Qi, Wei Lv, Feiyu Kang, Quan-Hong Yang, Fast Gelation of Ti3C2Tx MXene Initiated by Metal Ions, Adv. Mater., 2019, DOI:10.1002/adma.201902432

【NanoYang课题组简介】

在杨全红教授(国家杰青、万人领军、“科睿唯安”和“爱思唯尔”高引科学家)的带领下,实验室十年磨一剑,始终坚持“做有用的研究,讲有趣的故事”,以“碳功能材料”为研究入口,以“高性能电化学储能”为应用出口,研究碳功能材料结构设计、制备科学和能量存储与转化机制,从策略、方法、材料、电极、器件五个方面提出构建致密储能器件的全链条解决方案,致力于突破产业发展瓶颈。此外,在锂硫催化、钠电负极与电解液、二维材料组装策略、金属锂负极保护等多方面取得了一些有意义的研究成果,详见课题组网站:http://nanoyang.tju.edu.cn。

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参考文献:Adv. Mater.