要想MXenes性能好, 三维结构少不了 | Adv. Funct. Mater.教你构建三维MXenes

Issuing time:2020-06-05 14:16Author:saisai

背景介绍


MXenes 作为一种热门的二维材料,受到了研究人员广泛关注。然而,作为二维材料成员之一,MXenes终究也是迈不过自堆叠这道坎儿,而这也导致在电化学过程中可利用的活性位点减少,从而性能受限。这位看官问了,那怎么办啊,这么好的材料,得让他发光发热呀。您还别说,科研这片汪洋,还真就不缺有各种新奇idea的后浪们。这不,三维结构,虽已是很成熟的思路做法,却被各位学术界的小能手们玩出了各种花样。构建三维结构,有效克服了MXenes的自堆叠,同时也相应提高了MXenes基材料的比表面积以及空隙率,从而降低了离子传输与传质的路径。面对层出不穷的组装策略,有这么一位贴心小棉袄,来自都柏林圣三一学院博士后李科(Li Ke)博士,就为众位看官悉心总结了目前针对MXenes三维结构材料在能源存储与转换领域的应用。该综述以“3D MXene Architectures for Efficient Energy Storage and Conversion”发表在材料学科顶级期刊Adv Funct Mater上,通讯作者为都柏林圣三一学院Valeria Nicolosi教授以及西湖大学徐宇曦教授。接下来小编就简要为大家介绍该篇Review的部分内容。


内容导读


3D MXenes结构制备策略

1. 模板法

模板合成是制造3D多孔结构的最直接,最有效的方法之一。此外,通过调整模板的大小和/或形态,可以轻松地定制所得3D材料的微观结构。通常,3D材料的模板化合成包括以下步骤:1)模板制备; 2)将材料包覆到所选模板上; 和3)去除模板(如有必要)。

图1. 模板法制备MXene三维结构示例


2.自组装法

由于MXene具有丰富的表面基团(-O,-OH和-F),它们可以均匀地分散在水溶液中。 通过引入胶凝剂或破坏静电排斥力与范德华相互作用之间的平衡,溶液中的2D MXene纳米片将相互连接并组装成3D多孔结构。

图2. 自组装法制备MXenes三维结构示例


3. 3D打印法(增材制造)

增材制造技术(3D打印)是一种新兴技术,可以从合适的油墨中批量生产各种3D复杂结构。MXene油墨具有合适的粘度和剪切变稀等流变行为,因此有望通过印刷或打印方法将2D MXene纳米片组装成3D结构。


4. 其他组装方法

除以上三种主流方法可以对MXenes三维结构进行制备,研究人员们还利用静电纺丝,发泡等方法实现MXenes三维结构。如图3所示。

图3. 3D 打印(a),静电纺丝(b),以及发泡法(c)制备MXenes三维结构示意图


3D MXenes结构用于储能以及催化领域

超级电容器和二次电池的高功率和能量密度使其能有效驱动便携式电子产品和电动汽车,在我们的日常生活中变得越来越重要。具有开放结构,丰富的表面基团,高电导率和高离子/电子迁移率的3D MXene体系结构为设计高性能超级电容器和可充电电池带来了巨大潜力。3D MXene体系结构已被应用于超级电容器,锂离子电池,钠离子电池,以及锂硫电池等多种储能体系,实验结果表明,得益于其3D结构的优势,基于3D MXenes结构的电极材料的电化学性能均得到优化与提高。除电化学储能应用外,在催化领域,3D MXenes也满足催化活性,丰富活性位点和优异电导率这三个关键要求,因此也逐渐在催化领域崭露头角。由于此部分内容较多,需要详细了解的同学可点击文末链接直达原文。


小结


尽管已经科研人员已经对3D MXenes结构进行了深入的研究并且取得了长足的进步,但仍有几个关键点需要解决。首先,如何合理设计和精确控制孔的形态,包括尺寸和壁厚。第二,难以规模化制备。第三,化学组成的可调性。第四,由于较高的孔隙率,低密度的3D MXene架构不可避免地导致了较低的体积性能,如体积能量密度。第五,MXenes的类型限制,目前绝大多数3D MXenes结构的构建是基于Ti3C2Tx,因此后续开发基于其他类型MXenes的3D结构也非常必要。


参考文献


Ke Li; Meiying Liang;   Hao Wang;   Xuehang Wang;   Yanshan Huang;   João Coelho;   Sergio Pinilla;   Yonglai Zhang;   Fangwei Qi;   Valeria Nicolosi;   Yuxi Xu;3D MXene Architectures for Efficient Energy Storage and Conversion;DOI:10.1002/adfm.202000842


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202000842


CONTACT:
Prof. Qing Huang (Talk) Email: huangqing@nimte.ac.cn
Ms. Minjun Xin
Phone:+86 13566542145
Email:mjxin@nimte.ac.cn
Ms. Cherry Hu (Sponsor/Attend)
Phone:+86 13858261191
Email:cherry@polydt.com