上師大ACS NANO：提高MXene在有機溶劑的分散度
【文章信息】
High Concentration of Ti3C2Tx?MXene in?Organic Solvent
第一作者：張慶蕭
通訊作者：李輝*
單位：上海師范大學
【視頻信息】
從多層MXene材料到單層MXene材料的分散，可以有多速度？視頻告訴你，只需要5秒！（附：除字幕外，全程無剪輯）
【引言】
MXene是當前最熱門的二維材料之一。但是，如何獲得高在有機溶劑中高度分散的MXene材料仍然是當前研究的一個巨大挑戰。目前文獻報道的常規方案制備的MXene材料的溶解度往往不足0.5 mg/ml。現有的兩種制備高濃度MXene有機溶劑的分散液的手段無法滿足科研工作者的需求，溶劑置換法操作復雜、產率低，造成了材料浪費；表面修飾法往往需要用到大量的表面修飾劑，且不易去除。而在復合材料和很多對水敏感的應用領域，潔凈、高濃度的MXene有機溶劑分散液的制備難題是阻礙該領域發展的一個亟待解決的科學問題。
【成果介紹】
近日，上海師范大學的李輝教授帶領課題組，在國際知名期刊ACS Nano上發表題為“High Concentration of Ti3C2Tx?MXene in Organic Solvent”的研究論文。本篇文章展示了李輝教授的在高濃度MXene有機溶劑分散液方面的工作。文章詳細的介紹了表面微環境修飾法（TMM）制備高濃度有機溶劑的方案，并對合成機理進行了深入探討，同時該方案完美的解決了MXene的氧化問題。本文為未來MXene的研究提供高效的制備路徑，有助于加速MXene材料領域的研究及實際應用。
【圖文導讀】
受限于MXene的親水性，如何制備高濃度MXene有機溶劑一直是懸而未決的問題。早在2017年，Yury Gogotsi教授等人就系統研究了Ti3C2Tx在有機溶劑中的分散性，最終制備的MXene在有機溶劑中的最高濃度僅僅不足0.5 mg/mL。隨后發展的表面修飾法也需要大量的表面修飾劑，往往需要與MXene同等數量級的表面修飾劑，大大阻礙了MXene的研究進展。為了解決上述問題，作者發展了TMM法制備高濃度MXene有機溶劑（圖1-2）。本方案可以快速高效的制備溶解于DMF、DMAc、PC的高濃度MXene分散液。文章支撐視頻展示了多層MXene在PC溶劑中的快速分散，該過程只需要5s的簡單手搖即可實現。
通過實驗探究發現，TMM法的優勢在于陽離子的插層和對材料表面親疏水性的改變，同時也依賴于合適的溶劑性質以分散MXene納米片。作者從溶劑性質和MXene材料表面變化兩個方面，系統深入的研究了如何提高MXene在有機溶劑中的分散性。得出如下結論，1，少量TBA+的修飾和對Ti3C2Tx表面的改性使得MXene的親疏水性發生了變化（圖2）。2，經過計算， Ti3C2Tx的Hansen溶度參數的約為18.05 MPa1/2，14.48 MPa1/2和8.76 MPa1/2。（圖3）這為進一步尋找適合MXene的有機溶劑分散液提供更具體的參考。該方案單層材料的剝離產率可以達到90%以上，使用該方法可以一鍋剝離30 g多層Ti3C2Tx原料。剝離得到的Ti3C2Tx納米片表面清潔，厚度均勻，具有較大的尺寸。Ti3C2Tx?MXene的有機溶劑分散液即使在常溫有氧條件下，也具有卓越的抗氧化性能。（圖4）
將高分散在DMF溶液中的Ti3C2Tx與PAN混合液進行了濕法紡絲，可以制得具有優異電導率的復合材料（圖5）。最后，多種類型的MXene都可以采用TMM法制備高濃度有機溶劑分散液，例如：Nb2CTx，Nb4C3Tx，Mo2Ti2C3Tx，證明了該方法的普適性。這項工作將為MXene材料家族的研究帶來新的機遇。
圖1.?高濃度MXene有機溶劑材料的制備方案和不同溶劑中Ti3C2Tx納米片的SEM圖像。
圖2： （a）TMM法制備高濃度MXene有機溶劑分散液的流程示意圖（b）S-Ti3C2Tx-H2O; （c）S-Ti3C2Tx-PC；（d）?S-Ti3C2Tx-DMAc ; （e）S-Ti3C2Tx-DMF；（f）H2O-M ，（g）PC-M，（h）?DMAc-M和（i）DMF-M的SEM圖像。
圖3. TMM法制備高濃度MXene有機溶劑分散液的濃度與（a）表面和（b）沸點的函數擬合；（c）文章中所用到的溶劑參數（d）與文獻相比，可高分散MXene有機溶劑的性質對比。
圖4.?相同濃度下TMM法制備的MXene有機溶劑與MILD法制備的水溶液的氧化穩定性測試。
圖5.?(a）濕法紡絲的流程示意圖（b）制備的不同MXene含量的Ti3C2Tx/PAN纖維的照片; （c）制備的不同MXene含量的Ti3C2Tx/PAN纖維的i-t曲線；（d）?制備的不同MXene含量的Ti3C2Tx/PAN纖維的電導率對比?; （e）對比文獻比較不同MXene含量下電導率的對比。
【小結】
綜上所述，該研究通過表面微環境修飾，實現了Ti3C2Tx等MXene在有機溶劑中的高度分散。剝離得到的Ti3C2Tx納米片表面清潔，厚度均勻，具有較大的尺寸。同時該方案簡單高效、易于重復，這項工作將為MXene材料家族的研究帶來新的機遇。該工作于2021年4月23日在ACS nano發表online。
【文章鏈接】
High Concentration of Ti3C2Tx?MXene in?Organic Solvent
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10671
【團隊介紹】?
李輝教授：2001年博士畢業于復旦大學化學系獲博士學位，師從物理化學家，化學教育家鄧景發院士。現擔任上海高校化學高原學科(I類)建設負責人、上海師范大學科技處處長、上海師范大學校學術委員會委員和上海市稀土功能材料重點實驗室副主任。先后主持了科技部973計劃前期研究專項、國家自然科學基金青年科學基金項目和面上項目(2項)，上海市科委基礎研究重點項目(3項)、上海市納米科技專項課題(2項)及企業委托項目等。發表SCI論文60余篇。主編中文專著1部，參編英文專著1部。授權中國發明專利13件，轉讓1件。入選教育部新世紀優秀人才支持計劃(2011年度)、上海市教委曙光計劃(2010年度)、上海市青年科技啟明星計劃(2005年度)和上海人才發展資金資助計劃(2012年度)。獲2012年度上海市自然科學二等獎(第四)。
張慶蕭：上海師范大學2019級博士研究生，研究重點是二維MXene材料的催化應用。
本文由作者投稿。
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