上师大ACS NANO：提高MXene在有机溶剂的分散度

【文章信息】

High Concentration of Ti₃C₂T_x MXene in Organic Solvent

第一作者：张庆萧

通讯作者：李辉*

单位：上海师范大学

【视频信息】

从多层MXene材料到单层MXene材料的分散，可以有多速度？视频告诉你，只需要5秒！（附：除字幕外，全程无剪辑）

【引言】

MXene是当前最热门的二维材料之一。但是，如何获得高在有机溶剂中高度分散的MXene材料仍然是当前研究的一个巨大挑战。目前文献报道的常规方案制备的MXene材料的溶解度往往不足0.5 mg/ml。现有的两种制备高浓度MXene有机溶剂的分散液的手段无法满足科研工作者的需求，溶剂置换法操作复杂、产率低，造成了材料浪费；表面修饰法往往需要用到大量的表面修饰剂，且不易去除。而在复合材料和很多对水敏感的应用领域，洁净、高浓度的MXene有机溶剂分散液的制备难题是阻碍该领域发展的一个亟待解决的科学问题。

【成果介绍】

近日，上海师范大学的李辉教授带领课题组，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“High Concentration of Ti₃C₂T_x MXene in Organic Solvent”的研究论文。本篇文章展示了李辉教授的在高浓度MXene有机溶剂分散液方面的工作。文章详细的介绍了表面微环境修饰法（TMM）制备高浓度有机溶剂的方案，并对合成机理进行了深入探讨，同时该方案完美的解决了MXene的氧化问题。本文为未来MXene的研究提供高效的制备路径，有助于加速MXene材料领域的研究及实际应用。

【图文导读】

受限于MXene的亲水性，如何制备高浓度MXene有机溶剂一直是悬而未决的问题。早在2017年，Yury Gogotsi教授等人就系统研究了Ti₃C₂T_x在有机溶剂中的分散性，最终制备的MXene在有机溶剂中的最高浓度仅仅不足0.5 mg/mL。随后发展的表面修饰法也需要大量的表面修饰剂，往往需要与MXene同等数量级的表面修饰剂，大大阻碍了MXene的研究进展。为了解决上述问题，作者发展了TMM法制备高浓度MXene有机溶剂（图1-2）。本方案可以快速高效的制备溶解于DMF、DMAc、PC的高浓度MXene分散液。文章支撑视频展示了多层MXene在PC溶剂中的快速分散，该过程只需要5s的简单手摇即可实现。

通过实验探究发现，TMM法的优势在于阳离子的插层和对材料表面亲疏水性的改变，同时也依赖于合适的溶剂性质以分散MXene纳米片。作者从溶剂性质和MXene材料表面变化两个方面，系统深入的研究了如何提高MXene在有机溶剂中的分散性。得出如下结论，1，少量TBA+的修饰和对Ti3C2Tx表面的改性使得MXene的亲疏水性发生了变化（图2）。2，经过计算， Ti3C2Tx的Hansen溶度参数的约为18.05 MPa^1/2，14.48 MPa^1/2和8.76 MPa^1/2。（图3）这为进一步寻找适合MXene的有机溶剂分散液提供更具体的参考。该方案单层材料的剥离产率可以达到90%以上，使用该方法可以一锅剥离30 g多层Ti3C2Tx原料。剥离得到的Ti3C2Tx纳米片表面清洁，厚度均匀，具有较大的尺寸。Ti₃C₂T_x MXene的有机溶剂分散液即使在常温有氧条件下，也具有卓越的抗氧化性能。（图4）

将高分散在DMF溶液中的Ti₃C₂T_x与PAN混合液进行了湿法纺丝，可以制得具有优异电导率的复合材料（图5）。最后，多种类型的MXene都可以采用TMM法制备高浓度有机溶剂分散液，例如：Nb₂CT_x，Nb₄C₃T_x，Mo₂Ti₂C₃T_x，证明了该方法的普适性。这项工作将为MXene材料家族的研究带来新的机遇。

图1. 高浓度MXene有机溶剂材料的制备方案和不同溶剂中Ti3C2Tx纳米片的SEM图像。

图2： （a）TMM法制备高浓度MXene有机溶剂分散液的流程示意图（b）S-Ti₃C₂T_x-H₂O; （c）S-Ti₃C₂T_x-PC；（d） S-Ti₃C₂T_x-DMAc ; （e）S-Ti₃C₂T_x-DMF；（f）H₂O-M ，（g）PC-M，（h） DMAc-M和（i）DMF-M的SEM图像。

图3. TMM法制备高浓度MXene有机溶剂分散液的浓度与（a）表面和（b）沸点的函数拟合；（c）文章中所用到的溶剂参数（d）与文献相比，可高分散MXene有机溶剂的性质对比。

图4. 相同浓度下TMM法制备的MXene有机溶剂与MILD法制备的水溶液的氧化稳定性测试。

图5. (a）湿法纺丝的流程示意图（b）制备的不同MXene含量的Ti3C2Tx/PAN纤维的照片; （c）制备的不同MXene含量的Ti3C2Tx/PAN纤维的i-t曲线；（d） 制备的不同MXene含量的Ti3C2Tx/PAN纤维的电导率对比 ; （e）对比文献比较不同MXene含量下电导率的对比。

【小结】

综上所述，该研究通过表面微环境修饰，实现了Ti₃C₂T_x等MXene在有机溶剂中的高度分散。剥离得到的Ti3C2Tx纳米片表面清洁，厚度均匀，具有较大的尺寸。同时该方案简单高效、易于重复，这项工作将为MXene材料家族的研究带来新的机遇。该工作于2021年4月23日在ACS nano发表online。

【文章链接】

High Concentration of Ti₃C₂T_x MXene in Organic Solvent

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10671

【团队介绍】 

李辉教授：2001年博士毕业于复旦大学化学系获博士学位，师从物理化学家，化学教育家邓景发院士。现担任上海高校化学高原学科(I类)建设负责人、上海师范大学科技处处长、上海师范大学校学术委员会委员和上海市稀土功能材料重点实验室副主任。先后主持了科技部973计划前期研究专项、国家自然科学基金青年科学基金项目和面上项目(2项)，上海市科委基础研究重点项目(3项)、上海市纳米科技专项课题(2项)及企业委托项目等。发表SCI论文60余篇。主编中文专著1部，参编英文专著1部。授权中国发明专利13件，转让1件。入选教育部新世纪优秀人才支持计划(2011年度)、上海市教委曙光计划(2010年度)、上海市青年科技启明星计划(2005年度)和上海人才发展资金资助计划(2012年度)。获2012年度上海市自然科学二等奖(第四)。

张庆萧：上海师范大学2019级博士研究生，研究重点是二维MXene材料的催化应用。

本文由作者投稿。