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MXenes的制备及其在环境领域的应用

康淳 ,  林延欣 ,  景远聚 ,  王新波

化学进展 ›› 2022, Vol. 34 ›› Issue (10) :2239-2253

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化学进展 ›› 2022, Vol. 34 ›› Issue (10) :2239-2253 DOI: 10.7536/PC220122
综述与评论
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MXenes的制备及其在环境领域的应用

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Preparation and Environmental Applications of 2D Nanomaterial MXenes

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摘要

MXenes是一类新型的二维过渡金属碳/氮化物或碳氮化物,是由Mn+1AXn相物质(MAX相)通过剥离而得到的单层或薄层纳米片。独特的二维层状结构、较大的比表面积以及出色的导电性、机械稳定性和磁性等性能,使MXenes迅速成为研究热点,并已广泛应用于储能、催化、吸附等众多领域。本文总结介绍了二维材料MXenes的制备方法,并重点综述其近年来在环境领域的应用研究进展,如吸附重金属、吸附放射性金属、吸附有机物、二氧化碳的选择性吸附、光催化、电催化、膜分离、传感器、生物活性、电磁吸收与屏蔽等进行了总结与回顾,最后对现阶段存在的问题和未来发展进行了分析。

Abstract

MXene is a new type of two-dimensional layered nanomaterial obtained by delamination of Mn+1AXn phase material (MAX phase), which is constructed with transition metal carbide, nitride or carbonitride. MXenes have attracted ever-increasing interest due to their unique characteristics such as high surface area, excellent metal conductivity, mechanical stability, as well as their magnetic properties, and have been widely applied in the field of energy storage, catalysis, adsorption, and many other fields. Herein, we summarize the recent advances in MXenes preparation strategies and their applications in terms of environmental purpose, including adsorption of heavy metals, radioactive metals and organic compound, selective adsorption of carbon dioxide, photocatalysis, electrocatalysis, membrane separation, sensor, biological activity, electromagnetic absorption and shielding, and so on. Finally, the current challenges and future opportunities of MXenes to put forwards real applications are discussed.

Graphical abstract

关键词

MXenes / 二维材料 / 环境 / 吸附 / 催化

Key words

MXenes / 2D materials / environment / adsorption / catalysis

引用本文

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康淳, 林延欣, 景远聚, 王新波. MXenes的制备及其在环境领域的应用[J]. 化学进展, 2022, 34(10): 2239-2253 DOI:10.7536/PC220122
Kang Chun, Lin Yanxin, Jing Yuanju, Wang Xinbo. Preparation and Environmental Applications of 2D Nanomaterial MXenes[J]. Progress in Chemistry, 2022, 34(10): 2239-2253 DOI:10.7536/PC220122

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Contents

1 Introduction

2 Synthesis of Mxenes

2.1 Fluorine-containing etching method

2.2 Fluorine-free peeling method

3 Applications in environmental fields

3.1 Adsorption of heavy metals

3.2 Adsorption of radioactive metals

3.3 Adsorption of organic compound

3.4 Selective adsorption of carbon dioxide

3.5 Photocatalysis

3.6 Electrocatalysis

3.7 Membrane separation

3.8 Sensor

3.9 Bioactivity

3.10 Electromagnetic absorption and shielding

4 Conclusion and outlook

1 引言

二维材料是含有单层或少层原子厚度的超薄材料,如纳米薄膜、量子阱等,厚度为纳米或更小尺度,而其他两个维度则处于更大尺寸,因其独特的层状结构、卓越的物理、光学和电学性能以及大的电活性表面而成为迅速发展的新兴材料。根据其化学成分和结构构型可分为金属、半金属、半导体、绝缘或超导材料[1,2]。2004年,Geim等[3]等通过机械剥离的方法从石墨中成功剥离出仅由一层碳原子构成的薄片,即二维石墨烯结构,开启了二维材料的新时代。但是石墨烯只有一种元素碳,且层与层间的范德华力较强,制备过程复杂,在一定程度上限制了其广泛应用。之后科学家们又相继发现了六方氮化硼、过渡族金属硫化物和氧化物、硅烯等二维结构材料,大大扩充了二维材料的成员组成。

MXenes是于2011年才被首次报道的一类新型二维材料,因其结构与石墨烯相似,一经报道就迅速引起了全世界的关注。MXenes材料是一种二维金属碳化物、氮化物或碳氮化物,是由Mn+1AXn相物质(简称MAX相)通过刻蚀去除A插层后剥离而得到的。MAX相属于一个庞大的固体材料家族,由大约130种不同的组分组成,其中“n”的取值在1~3之间,M代表早期过渡金属(Sc、Ti、Zr、V、Cr、Mn,、Nb、Hf、Ta、Mo),A通常是元素周期表中12~16族的元素(Cd、Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、In、Sn、Tl、Pb),X为C、N或二者均有[4,5]。2011年,美国德雷塞尔大学的Gogotsi等[6]利用HF选择性刻蚀去除Ti3AlC2中的Al原子,剥离出二维晶体Ti3C2Tx,首次成功制备出MXenes相材料,此后人们利用类似的方法制备出了20多种不同的MXenes材料。由于MXenes的合成往往采用液相刻蚀法,材料表面会附着羟基、氟离子等官能团,因此通常也将MXenes表示为Mn+1XnTx(T代表羟基、氟离子等)。

MXenes因其较大的比表面积、优异的导电性和亲水性以及丰富的表面基团(有利于改性、表面修饰、沉积等),在环境、信息、能源、生物等众多领域展现出了优异的应用潜力。本文综述了MXenes的制备方法,在环境领域应用的研究进展,并对其现阶段存在的问题及发展进行了分析与展望。

2 MXenes的制备

2.1 含氟刻蚀法

2.1.1 氢氟酸刻蚀法

MXenes材料一般是通过用HF溶液将MAX相中的A成分剥离得到的。HF对MAX相的蚀刻具有选择性,会优先选择键能较弱的M—A键,从而使得A原子连接的M-X层逐渐分离,生成相应的MXenes相材料。同时A原子层的剥除使得M-X层中的金属元素裸露出来,从而与溶液中富含的羟基、氟离子等官能团结合形成氟化盐等配合物[7]。

反应过程中可能发生的反应如下:

M n + 1 A X n + 3 H F → A F 3 + 3 2 H 2 + M n + 1 X n
M n + 1 X n + 2 H 2 O → M n + 1 X n ( O H ) 2 + H 2
M n + 1 X n + 2 H F → M n + 1 X n F 2 + H 2

其中反应(2)和反应(3)是平行发生的,使所生成的MXenes表面附着大量的羟基和氟离子。

2.1.2 改性酸刻蚀法

高浓度的HF毒性强、腐蚀性大,实验过程危险度较高,2014年,Ghidiu等[8]首次提出利用LiF和HCl的混合溶液代替HF来刻蚀Ti3AlC2,并成功获得了Ti3C2-MXenes,这为MXenes的制备开辟了新思路。同年,Halim等[9]用NH4HF2替代HF蚀刻MXenes相,得到Ti3C2Tx-MXenes材料。2017年,Wang等[10]用FeF3和HCl的混合溶液来刻蚀Ti2AlC,得到了Ti2CTx-MXenes材料。

2.1.3 熔融盐刻蚀方法

N原子会进一步强化MXenes的金属特性[11],从而使氮化物比碳化物MXenes具有一些潜在的优势:更高的电导率,更适合做电化学电容器的电极[12,13]。但是,氮杂MAX材料的解离往往需要更高的能量,而Tin+1Nn类材料的稳定性较低,在HF溶液中会降解,因此,Ti4N3Tx是很难用氟刻蚀法获取的。Urbankowski等[14]将Ti4AlN3与三种含氟易熔盐(KF、LiF及NaF)在550℃、氩气流下热处理30 min,选择性地的去除了Al原子插层,随后使用硫酸去除杂质,再经过清洗、离心得到少层的Ti4N3Tx纳米片。熔融盐刻蚀法的关键在于气氛保护和温度,若温度太高或是没有气氛保护直接在空气中加热,则生成的产物可能是立方相结构,熔融盐刻蚀法目前存在的一个缺点就是熔盐产物中的氟化物难以完全除去,而且相较于氢氟酸刻蚀法,所制备的MXenes材料结晶度较差。

2.2 无氟剥离法

2.2.1 碱性刻蚀法

虽然使用改性酸刻蚀法可以避免直接使用HF,但体系中存在的H+和F-仍可能导致HF的释放。此外,F-攻击A层仅适用于去除碱性或两性元素。因此,开发新的无氟法来去除A层对发展安全绿色的MXenes制备路线至关重要。Li等[15]利用NaOH 辅助的水热工艺蚀刻Ti3AlC2来制备Ti3C2Tx(T=OH,O)。结果表明,在270℃下在27.5 M的NaOH溶液中,可从Ti3AlC2中选择性去除Al, 产生OH和O封端的多层Ti3C2Tx,纯度达92wt%。

2.2.2 后过渡金属元素置换法

在MAX相的制备过程和解离过程中都曾发现以前过渡金属如Al为主的A层元素可以被其他元素如后过渡金属Zn、Ni等替代,这一方面可以丰富MAX家族成员,也为制备具有不同末端基X的MXenes提供了思路。Huang等[16]发现在550℃下的ZnCl2熔盐中,Ti3AlC2中的Al可以与Zn发生置换反应生成Ti3ZnC2-MAX相,并且通过增加ZnCl2的用量,Ti3ZnC2可以进一步转化为Cl元素为端基的Ti3C2Cl2-MXenes(图1)。

2.2.3 路易斯酸氧化还原法

Huang等[17]发现,具有较高氧化还原电位的Lewis酸阳离子可以有效地氧化蚀刻MAX相中具有较低氧化还原电位的A层原子,以此为基础提出了一种通用的Lewis酸熔融盐蚀刻制备MXenes材料的策略。在750℃的温度下,将Ti3SiC2-MAX相浸没在CuCl2熔融盐中,Ti3SiC2与CuCl2发生氧化还原反应,其中层间的Si被氧化为Si4+,并以SiCl4气体的形式进入气相,Cu2+被还原为Cu单质(反应4),同时生成的Ti3C2则进一步与过量的CuCl2反应生成Ti3C2Cl2和Cu单质(反应5)。采用该策略,就能对众多的MAX相(如Al、Si、Zn、Ga等)选择合适的路易斯酸进行刻蚀,展示了该方法的普适性。

T i 3 S i C 2 + 2 C u C l 2 → T i 3 C 2 + S i C l 4 ( g ) + 2 C u
T i 3 C 2 + C u C l 2 → T i 3 C 2 C l 2 + C u

2.2.4 碘蚀刻法

在氢氟酸刻蚀法中,F-能选择性和Al反应,从而有效去除Al插层。同样地,利用其他元素和Al的选择性反应,也可以获得刻蚀效果。Feng等[18]发现,在无水乙腈(CH3CN)中单质碘能够和Ti3AlC2中的Al选择性反应生成AlI3,从而起到蚀刻作用。经过碘蚀刻后,在盐酸溶液中分层,可以合成无氟化物的Mxenes-Ti3C2Tx,其中大部分薄片厚度小于5nm。研究认为,该过程大致经历了如下化学反应过程(方程式6~10):

T i 3 A l C 2 + ( x + 3 ) / 2 I 2 → T i 3 C 2 - I x + A l I 3
T i 3 C 2 - I x + x / 2 O 2 → T i 3 C 2 - O x + x / 2 I 2
T i 3 C 2 - I x + x H 2 O → T i 3 C 2 - ( O H ) x + x H I
A l I 3 + 3 H 2 O → A l ( O H ) 3 + 3 H I
A l ( O H ) 3 + 3 H C l → A l C l 3 + 3 H 2 O

2.2.5 电化学蚀刻

化学蚀刻能选择性去除A插层原子的根本原因在于M—Al键比M—C键具有更强的化学活性,而这本质上也是一种电化学过程,涉及将电荷从目标材料转移到其他物质。因此,电化学刻蚀法也应是选择性刻蚀工艺的可行策略。但在实际操作中,电化学介质和参数的选择非常重要,选择不当会造成材料的整体腐蚀和破坏。Feng等[19]发现在NH4Cl和四甲基氢氧化铵(TMAOH)的碱性二元混合水溶液中,Cl-可以选择性刻蚀Al原子,并同时在层间插入N H 4 +,从而获得大尺寸的片层状Ti3C2Clx。Hao等[20]提出了一种热辅助电刻蚀来制备MXenes的方法,在稀盐酸蚀刻剂的存在下,温和加热可加速MAX材料的电化学蚀刻效率,使得原本很难解离制备的Cr2CTx和V2CTx等MXenes的制备变得简单。

2.2.6 微环境法

去除MAX相中的A插层只是制备MXenes的第一步,要获得MXenes薄片还必须稳定地分散到溶剂中。然而由HF酸刻蚀制备的多层MXenes很难在水中形成高浓度、稳定的分散液。解决这一问题的常用办法是在溶液中加入TMAOH等离子液体作为稳定剂,插入到片层之间。但是这些试剂的加入会影响MXenes的性能,水的存在也不利于一些潜在应用对无水化的要求。因此制备无水、稳定、高浓度的有机溶剂MXenes分散液就非常重要。Gogotsi等[21]系统研究了Ti3C2Tx在有机溶剂中的分散性,通过比较 MXene 溶液浓度与表面张力、沸点、极性等之间的相关性,发现虽然无法用单一溶剂性质来预测分散Ti3C2Tx纳米片的“好”溶剂,但是具有高表面张力、高沸点和高介电常数的极性溶剂通常对Ti3C2Tx具有更好的分散稳定性(图2),从而成功地将Ti3C2Tx分散在各种有机溶剂中,如:N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)等。上海师范大学李辉等[22]则系统深入研究了如何进一步提高Ti3C2Tx在有机溶剂中的分散浓度,开发了一种调谐微环境(TMM)的方法。该方案通过添加少量的TBA+对多层Ti3C2Tx进行插层,这使得Ti3C2Tx表面被修饰,从而使材料表面微环境发生变化,亲疏水性得以改善,和有机溶剂具有更好的溶剂参数,可高分散MXene到有机溶剂中。采用该方案,可以快速制备高浓度Ti3C2Tx有机溶剂分散体,分散的单层MXenes产率可达90%,且具有清洁的表面、均匀的厚度,即使在室温有氧条件下也表现出优异的抗氧化性,将其用于钠离子电池,比在水相制备的MXenes电化学容量提高了一倍。

3 MXenes在环境领域的应用

3.1 吸附重金属

水体中的重金属污染由于其毒性和致癌性,已成为世界性的严重环境问题。特别是一些毒性重金属即使在微量时也有极高的危险性,会对动植物的组织产生严重损伤,因此必须在排放前从水体中去除,而具有大比表面积和丰富活性位点的二维材料被认为是理想的环境修复吸附剂[23,24]。MXenes的制备过程中,随着M—A键的断裂形成M—O、M—OH、M—F、M—Cl等新的端基悬挂键,从而为吸附金属离子提供了大量的活性位点。同时,MXenes丰富的表面官能团使其具有较负的Zeta电位[25],具有良好的亲水性和表面负电荷,因此水溶液中金属阳离子在与之接触时会发生自发的插层吸附现象,加之MXenes有着较大的比表面积和化学稳定性,使其成为理想的金属离子吸附剂。

Peng等[26]通过化学剥离和碱化插层法制备了Ti3C2(OH/ONa)xF2-x材料,实验发现其对铅离子(PbⅡ)有较强的吸附作用,吸附量达140 mg/g,120 s内即可达到化学平衡,且吸附不受其他常见竞争离子如MgⅡ和CaⅡ的影响,吸附后铅残留量低于世界卫生组织推荐的饮用水标准(10 μg/L)。Guo等[27]通过第一性原理计算探讨了该材料对重金属离子优异吸附力的原因,发现在碱性条件下,因Ti3C2(OH)2表面羟基官能团的氢原子和氧原子能与被吸附的重金属形成势阱,表面羟基和表面氧与金属形成稳定的化学键(如Pb—O键),从而增强对金属原子的吸附能力。另外该计算还发现F等端基杂原子会降低MXenes的吸附能力,而Li+、Na+、K+等离子在MXenes中发生插层,会增强MXenes对重金属离子的吸附能力。受此启发,Gu等[28]采用强碱刻蚀法制备了无氟取代的Ti3C2ONa纳米片,对PbⅡ的吸附量提高到了286 mg/g,展现出潜在的实用价值。

除PbⅡ外,其他的一些重金属离子如CuⅡ、CdⅡ、ZnⅡ、HgⅡ、BaⅡ与MXenes表面形成M—O键的能垒也只有-1.0~-3.3 eV,表明会有好的吸附作用。Atieh等[29]通过HF刻蚀去除Al层制备多层Ti3C2Tx-MXenes,然后在KOH碱性条件下进一步插层使层间距扩展到26 Å,从而促进重金属离子的扩散进入和吸附,并由此实现了对CuⅡ、CdⅡ、PbⅡ、HgⅡ的电化学监测。Shahzad等[30]研究了Ti3C2Tx-MXenes纳米片对CuⅡ的吸附/脱附过程,结果表明剥离成薄层的Ti3C2Tx-MXenes纳米片性能上远优于多层结构,在1 min内对CuⅡ的去除率高达80%,吸收容量达78.5 mg/g,是商用活性炭的大致三倍。Ti3C2Tx薄层片对BaⅡ也有很好的吸附效果,Atieh等[29]研究发现在初始BaⅡ浓度为55 ppm的水溶液中,吸附量高达9.3 mg/g,显著高于白云石(3.958 mg/g)和膨胀珍珠岩(2.486 mg/g)等其他吸附剂的吸附量。进一步研究pH值对吸附量和去除率的影响发现:在酸性条件下,吸附剂的表面带有正电荷,对阳离子的亲合力较低;而在碱性条件下,吸附剂表面带有负电荷,对Ba离子的吸附能力增强;但是过高pH会导致钡离子形成氢氧化物络合物而沉淀,因此最佳吸附pH值处于6~7。他们发现Ti3C2Tx-MXenes对多种二价金属离子都有较强的亲合力,而对不同金属离子的亲合力顺序为Ba > Sr > Ca > Pb > Cr > As,因此可以优化条件实现对共存金属的选择性吸附,例如在优化条件下对钡的去除率可达98%,而对于共存的As(Ⅲ)的去除率为70%左右。Lee等[31]采用水热法制备了磁性的Ti3C2Tx-MXenes/Fe3O4复合材料MGMX,Fe3O4纳米颗粒的引入,一方面提供了较高的比表面积,另外因其具有磁性可以实现材料的方便回收。实验表明该材料具有明显的亲水性和高M2+离子亲合力,在酸性和碱性条件(pH=3~9)下均表现出优异的HgⅡ吸附性能,吸附容量达1128.41 mg·g-1,明显高于先前报道的二维纳米材料和纳米复合材料的吸附容量,而且该材料不受MgⅡ、CaⅡ等干扰离子的影响,具有高度的HgⅡ选择性,经五次连续吸附-脱附循环重复使用也没有明显的性能下降,体现出该材料在废水中去除汞离子方面的巨大应用潜力。

MXenes对低价态金属的吸附主要以物理吸附和化学鳌合成键为主,而对于高价态的氧化性金属离子,如CrVI,会与MXenes发生氧化还原反应,从而对吸附过程产生重大影响。Ying等[32]发现Ti3C2Tx纳米片对Cr有出色的吸附能力。在pH=2的条件下,CrVI离子首先吸附在质子化的纳米片表面,随着pH值升高,表面吸附的CrVI与MXenes主体间发生电子传递,CrVI被还原为CrⅢ,部分形成Cr(OH)3沉淀,部分以Ti—O—CrⅢ形式吸附在MXenes表面,在pH=5时即几乎完全去除溶液中的Cr离子,吸附量达250 mg/g,出水品质达到WHO的标准。其他氧化性金属污染物,如K3[Fe(CN)6]、KMnO4和NaAuCl4,也可以和MXenes发生类似的氧化还原反应而被有效去除,进一步说明了MXenes去除高价氧化性金属污染物的可行性。

3.2 吸附放射性金属

核工业的发展带来能源经济发展的同时也带来更多的放射性污染,高效清除放射性污染物愈发成为人们关注的热点[33]。铀是一种使用最广、高生物毒性的放射性污染物,其在自然环境中的半衰期长达数百万年,若进入到环境而不能有效去除,会对动植物和人类造成极大的安全风险。另外,作为关键核原料,有效富集回收铀具有重要战略意义。强酸性、强放射性、高迁移性以及众多共存离子影响,是有效回收铀元素的主要挑战。自然界中的铀主要以四价UIV和六价铀酰离子(U O 2 2 +)形式存在,其中U O 2 2 +具有很好的水相溶解性,也因此更容易扩散进入到环境中,具有更大的危害性。当前用于去除废水中UVI的吸附剂多种多样,包括活性炭、分子筛、氧化石墨、金属氧化物、无机纳米材料、有机多孔聚合物、金属有机骨架材料、有机框架材料等[33⇓~35],其机理也主要包括了吸附和氧化还原两大类,其中后者主要是铁基或生物菌类还原剂将UVI还原为低溶解性的UIV。

Shi等利用密度泛函理论计算发现[36,37],Ti3C2(OH)2和铀酰离子间存在很强的化学作用和氢键作用,强到足以形成稳定的化学键,使铀酰离子优先吸附在羟基化碳化钛纳米片上,而不受其他OH-、Cl-、N O 3 -等阴离子配体的影响,主导整个吸附过程。实验上他们用NaOH或DMSO处理Ti3C2Tx以调控层间距离,获得了具有不同插层的Ti3C2Tx-NaOH和Ti3C2Tx-DMSO,并考察了插层元素和结合水对U吸附能力的影响。结果表明,水合的Ti3C2Tx-DMSO表现出对U的最高吸收容量(160 mg·g-1),比Ti3C2Tx-dry(26 mg·g-1)的吸收容量高五倍以上,大大提高了吸附能力。可能的原因是水合的Ti3C2Tx具有较大的层间距离,并且具有柔韧性和可溶胀性,因此可以轻松地在MXenes通道内部容纳更多的铀酰离子。而干燥的Ti3C2Tx具有较小的层间间距可能会抑制铀酰离子进入MXenes通道,从而导致铀吸收能力降低。

进一步通过X-射线吸收光谱、衍射光谱及光电子能谱研究发现[25] Ti2CTx-MXenes对UVI的去除存在如图3所示的两种机理,首先铀酰离子和MXenes表面的羟基形成较强的氢键吸附在表面,然后电子从Ti2CTx传递给U O 2 2 +发生氧化还原反应,表面的Ti2CTx被还原为TiO2,UVI被还原为UIV。在酸性条件下,因表面TiO2溶解,UIV是以单核的形式配位在MXenes吸附剂上,而在近中性的条件下,Ti2CTx表面是一层氧化生成的无序TiO2,铀则以U O 2 + x 2 +的形式吸附在TiO2上。在pH=3的条件下,Ti2CTx对UVI的吸附容量达470 mg/g。通过强碱处理Ti2CTx-MXenes,他们组[38]还制备了钠、钾离子插层的分级钛酸盐纳米结构Na/K-HTN,插层中的Na/K离子发生离子交换,从而实现了对另一放射性元素离子EuⅢ的有效吸附。MXenes的还原性吸附能力,也使其可以用于其他氧化性离子的去除中。

3.3 吸附有机物

有机染料废水由于着色深、成分杂、危害高等特点,一直以来是处理难度最高的工业废水之一。石墨烯及其氧化物、氮化硼、二硫化钼等二维材料具有大的比表面积,被认为是很好的吸附剂候选材料,然而由于它们具有元素单一(石墨烯)、作用力弱(范德华力)、制备难度高以及缺少表面官能团等缺点,在染料废水处理领域的应用受到了极大的限制。而MXenes材料既有类似的二维片层结构和高比表面积,又有丰富的表面官能团和表面负电荷,使其可以通过静电作用、范德华作用力、氢键等与染料分子结合,特别适合于在水溶液中吸附阳离子型染料。亚甲基蓝(MB)是一种广泛使用的阳离子染料,可用于生物、细菌组织的染色,也被用作化学反应中的指示剂。Noh等[39]实验表明,F-终端的Ti3C2Tx-MXenes对废水中的亚甲基蓝具有良好的吸附性能。将40 mg MXenes加入20 μM MB溶液后5 min,MB去除效率达到91.9%,且随着MXenes悬浮液pH值的增加而增加。Gogotsi等[40]利用Langmuir和Freundlich等温线分别拟合了Ti3C2Tx对亚甲基蓝的吸附,拟合相关性分别为0.811和0.928,表明吸附过程更接近遵循Freundlich模型。Yoon等[41]将MXenes与超滤(UF)相结合,构造了“MXenes-UF”的混合系统。结果表明MXenes-UF对亚甲基蓝和甲基橙的膜通量高于单个UF系统;与超滤相比,混合系统的不可逆结垢较少,这是因为染料可以吸附在MXenes上,并且由于静电排斥作用,只有少量MXenes沉积在滤膜上。通过layer-by-layer (LbL)的策略,Peng等[42]制备了一种具有分层核壳结构的MXenes/聚合物混合物 MXenes-COOH@(PEI/PAA),通过表面引入大量的羧基官能团,使MXenes的表面负电性进一步得到加强,从而大大提高了对藏红T、亚甲基蓝、中性红等染料分子的吸附能力。值得一提的是,这种表面用有机聚合物修饰的策略是通用的,可以方便地用于制备其他类MXenes@聚合物结构材料,以提升单一MXenes的吸附能力。

除染料外,另一类严重污染环境水体的有机分子是药物分子的滥用。进入环境的药物分子可能引起抗药菌的爆发感染,以及食物毒性。一些降解的去除办法,可能因降解不完全而产生毒性更大的二次污染物,吸附处理法则具有成本低,无副产物污染的优点。Yoon等[43]研究了Ti3C2Tx-MXenes对阿米替林、依拉帕米、卡马西平、17α-乙炔基雌二醇、布洛芬和双氯芬酸等常见药物分子的吸附能力,结果发现容易质子化而带正电荷的阿米替林更容易被吸附,在pH=7的条件下,吸附量达58.7 mg·g-1,高于市售活性炭的吸附量。

与其他二维材料类似,解离后的多层MXenes也容易被有机小分子化合物,如尿素、二甲基亚砜、四丁基氧化胺、异丙胺等插入到层间,这意味着MXenes是这类小分子的有效吸附剂。Gogotsi等[44]研究了不同结构的MXenes对尿素的吸附过程,包括Ti3C2Tx、Ti2CTx、Mo2TiC2Tx,结果表明Ti3C2Tx具有最佳的尿素吸附能力,在4 min内可以将溶液中98%的尿素吸附掉,吸附容量达9.7 mg·g-1。分析表明,尿素分子和MXenes表面含氧官能团之间的氢键是吸附发生的主要驱动力。另外,生物相容性实验证明Ti3C2Tx对3T3成纤维细胞有很好的相容性,表明Ti3C2Tx可以用于生物体相关液体的尿素去除中。

3.4 二氧化碳的选择性吸附

大量化石燃料的使用而带来的全球变暖正成为人类所面临的巨大挑战,为减少二氧化碳的排放,包括碳材料、沸石、金属有机框架材料、多孔有机聚合物等具有大比表面积的碳吸附材料被不断开发。然而,吸附材料的长期稳定性以及有限的CO2/N2选择性,依然充满挑战。Persson等[45]使用原位环境透射电子显微镜(ETEM)对单片层MXenes进行高温处理解吸端位F原子,再进行氢气暴露去除表面的端位O原子,最后将处理后的MXenes暴露于CO2气体,结果发现了第一个MXenes被非相干分子终止,在100℃下每个金属原子可以吸附一个二氧化碳分子,即吸附量达12 mol/kg。同时,修饰后的Mxenes对氮气几乎不吸附,从而大大提高了CO2/N2的选择性。

3.5 光催化

光催化是将太阳能转换为特定化学能的先进催化技术,在解决能源短缺和环境危机方面显示出巨大潜力。从反应机理来看,光催化过程通常包括:i)在吸收足够的入射光能后,由光催化剂产生电荷载流子(电子和空穴);ii)光生电荷载流子的分离和迁移,以及iii)通过消耗光生电子和空穴分别进行还原和氧化反应[46]。

Mxenes是优异的CO2光转化催化剂或催化剂载体。由于工业的快速发展,煤、石油等化石燃料大量使用产生的CO2大量排入自然界。Halmann等[46]首次通过光电催化将CO2转化为HCOOH,开启了光催化还原CO2的新篇章。光催化还原CO2共有5个步骤:光吸收、电荷分离、CO2吸附、表面氧化还原反应和产物解吸。许多光催化还原CO2的催化剂被开发出来,其中,p型Cu2O纳米结构具有比CO2氧化还原电位更负的导带和不太宽的带隙,已被广泛用于光诱导转化CO2。然而,Cu2O基纳米材料的主要缺点是Cu2O容易被光生电荷载流子氧化或还原。Zeng等[47]将层状Ti3C2破碎,形成尺寸更小的MXenes量子点负载在Cu2O纳米棒上,极大地增强了Cu2O的稳定性。通过理论计算表明,Ti3C2量子点的费米能级由层状的0.71 V改变到-0.523 V,费米能级降低导致光生电子从Cu2O迁移到Ti3C2量子点上进行富集,实现了多电子CO2还原反应。Yu等[48]通过煅烧的方法,在Ti3C2上原位生长TiO2纳米颗粒,实验表明优化的TiO2/Ti3C2复合材料光催化CH4的生产效率为0.22μmol/h。比市售的TiO2高3.7倍。进一步研究发现,TiO2/Ti3C2复合材料具有独特的多层结构,形成了较大的比表面积,为光催化反应提供了大量的表面活性位点;同时,Ti3C2可以大大抑制TiO2上的电子空穴重组,积累电子形成多电子还原反应,减少产生中间产物。

Mxenes能显著提升有机酚的光降解。Liu等[49]研究了C3N4负载的Ti3C2光照下催化苯酚降解的过程。在30 min的吸附-解吸平衡过程中,所有催化剂吸附和去除的苯酚不到5%,在光照射下,如果不加催化剂,苯酚的浓度没有明显变化;照射180 min后,有25.0%和54.6%的苯酚被块状g-C3N4(BCN)和多孔g-C3N4(PCN)催化剂降解;有70.4%、98.0%和81.9%的苯酚分别被Ti3C2/PCN-1/10、Ti3C2/PCN-1/5和Ti3C2/PCN-1/2催化降解。相同的实验条件下,Ti3C2/PCN纳米复合材料对苯酚的光催化去除效率均高于PCN催化剂。

Mxenes光催化产氢(H2)方面具有重要用途。以水为原料,利用太阳能光催化产生氢被视为解决全球能源问题较有希望的策略。利用半导体光催化剂进行水分解已显示出巨大的潜力,可作为清洁、低成本和可持续的太阳能H2生产方法[50]。Ti3C2Tx是析氢反应中使用最广泛的光催化剂。Ti3C2Tx用于光催化析氢的优点如下:(a)亲水性表面官能团有利于水分子的吸附并促进反应;(b)Ti3C2Tx吸附氢的吉布斯自由能无限接近于零,有利于H+的还原[51]。Xiao等[52]成功地合成一维的CdS纳米棒/二维Ti3C2-MXenes纳米片的肖特基结,利用Ti3C2表面上的Ti缺乏和游离Cd2+的静电相互作用来固定Cd2+,以制备一维CdS纳米棒,表现出优异的制氢性能,产生的氢气是纯CdS的6.68倍。Wang等[53]利用Ti3C2Tx作助催化剂,合成了一种TiO2/Ti3C2Tx复合光催化剂,在光解水析氢方面,其效率是纯TiO2的4倍。TiO2和Ti3C2Tx之间形成的肖特基势垒,有效提高了电子空穴的分离效率。单层Ti3C2Tx或量子点Ti3C2Tx在HER中显示出更好的活性。然而,使用单层Ti3C2Tx作为光催化剂有几个缺点:(a)单层Ti3C2Tx的制备复杂;(b)结构稳定性低,催化剂在水中易氧化;(c)单层或少层结构的操作不容易进行[51]。

废水中的重金属离子Cr(Ⅵ)具有高流动性,容易进入细胞产生活性氧,对细胞组织造成氧化损伤[54,55]。In2S3具有成本低、毒性大、可见光吸收好、化学稳定性好等特点。然而,原始In2S3具有光生载流子快速复合和易团聚等局限性[56]。Huang等[57]制备了由超薄 MXenes (Ti3C2) 和硫化铟 (In2S3)组成的光催化剂,用于在可见光下将 Cr(Ⅵ) 超快光催化还原为 Cr(Ⅲ)。制备的异质结可以在 6 min内将 Cr(Ⅵ) 完全还原为 Cr(Ⅲ),且可保证Cr(Ⅲ)稳定存在。Yuan等[58]使用Ti3C2量子点(TQDs)构建了全固态Z-方案光催化体系(WO3/TQDs/In2S3)用于在可见光照射下光催化还原Cr(VI)和光催化氧化双酚A(BPA),表现出极强的性能,分别是WO3/In2S3 异质结的4倍和3倍。

3.6 电催化

电催化技术被认为是未来清洁能源转化技术的核心,是解决当前能源危机和环境污染的关键与重要途径。具有高性能非贵金属催化剂的开发是这一领域的挑战。MXenes基材料具有高活性、高选择性和长负载寿命等特征,成为理想的电催化材料,广泛应用于各个领域,其中包括氮还原反应(NRR)、析氧反应(OER)、析氢反应(HER)、氧还原反应(ORR)、二氧化碳还原反应(CO2RR)和甲醇氧化反应(MOR)等[59]。

传统的氮还原主要依靠Haber-Bosch工艺,通过高温高压等极端苛刻的条件促进高纯度氢气和氮气反应生成氨[60],造成大量能源消耗和温室气体排放[61]。电化学氮还原反应通过控制施加的电压和反应条件可以将空气中的N2高产率地还原为N H 3 [ 62 ],比传统路线大大减少消耗的能量,而高性能催化剂是实现这一过程的关键。Zhao等[63]发现Ti3C2Tx(T=F、OH)-MXenes纳米片可以在0.1 M HCl的条件下有效地将N2催化为NH3,产率为20.4 mg·h-1·m g c a t - 1,法拉第效率为9.3%。Li等[64]系统地研究了一系列限制在MXenes纳米片(Mo2TiC2O2)空位中的单个过渡金属原子。结果表明,负载在Mo2TiC2O2缺陷层上的Zr、Mo、Hf、Ta、W、Re和Os可以显著促进NRR过程。其中,Zr掺杂的单原子催化剂(Mo2TiC2O2-ZrSA)在电位确定步骤中具有最低的势垒(0.15 eV),并且具有出色的NRR选择性。与 NRR 相比,硝酸盐中 N—O 键的断裂仅需要204 kJ·mol-1的能量且硝酸根离子的无限溶解度可作为生产氨的新来源[65]。Li等[66]研究表明,MXenes可以很好地分散和锚定分子催化剂 (CuPc),这有助于构建电催化剂(CuPc@MXenes),显著提高 N O 3 -RR 的性能。10% CuPc@MXenes 具有出色的氨选择性 (94.0%) 和高硝酸盐转化率 (90.5%),并在七次回收测试后保持稳定。Sun等[67]利用Ti3C2Tx-MXenes 作为载体和 Ti 源,制备了CuCl-BEF,利用内置电场,低浓度硝酸盐可被高效转化,具有高产氨选择性(98.6%)、低亚硝酸盐产量(0.6 mg·L-1)等特点。

析氧反应(OER)是许多新能源应用中的关键过程,例如燃料电池和水分解[68]。虽然许多贵金属基氧化物已被证明是有效的OER催化剂,但贵金属的稀缺性和高成本严重阻碍了它们的大范围应用[69]。Yu等[70]制备了一种基于MXenes的新型活性OER催化剂(FeNi-LDH/Ti3C2-MXenes)。该催化剂具有高电导率、高表面活性、高稳定性,通过协同作用提高电催化析氧性能。结果表明,与RuO2和FeNi-LDH/rGO催化剂相比,FeNi-LDH/Ti3C2-MXenes电催化剂具有更低的过电位、更低的塔菲尔斜率和优异的碱性介质耐久性。

析氢反应(HER)是用电催化分解水来生产氢气的一种新型清洁能源生产技术,是降低化石燃料使用的关键。贵金属尤其是铂是当前活性最好的催化剂,但是铂金价格昂贵阻碍了其广泛应用,亟需开发基于非贵重金属的稳定的催化剂。Xie等[71]基于DFT计算,系统地研究了MXenes(Mo2X和W2X,X=C和N)上的HER性能,发现它们的HER性能在很大程度上取决于其组成、氢吸附配置和表面功能化。与其他MXenes相比,W2C单分子层在高氢密度下具有优异的HER活性和接近于零的过电位,加氢可进一步提高其在较宽的氢密度范围内的催化性能,而氧化则可显著降低其活性。Wang等[72]将高活性的纳米/原子尺度金属铂固定在与导电SWCNTs网络相连的Ti3C2Tx-MXenes薄片(MXenes@Pt)上,构建了层级铂-MXenes-单壁碳纳米管(SWCNTs)异质结构,用于HER催化。所制备的分级HER催化剂在800 h的操作过程中表现出高稳定性,相对于可逆氢电极(RHE),具有在-50 mV时高达230 mA·cm-3的体积电流密度,以及在-10 mA·cm-2的电流密度下低至-62 mV的过电位。考虑到Pt-MXenes-SWCNTs异质结构的性质和构效关系,其他MXenes在电催化方面可能显示出更大的潜力。

借助绿色能源将CO2转化为液体燃料可以使碳循环更加有效,实现“人工碳循环”的绿色发展理念。利用MXenes捕获CO2并转化为甲醇和甲烷等燃料具有重要的研究意义和前景。Li和Sun等[73]通过计算手段对MXenes表面没有覆盖官能团和OH表面以及O表面两种体系MXenes-Tx(T=OH, O)下,捕获CO2的电化学机制进行了深入系统的探讨,发现无官能团的纯净MXenes更有利于CO2的捕获和转化为甲醇和甲烷。Yang等[74]通过在四元MAX相(Ti3(Al1-xCux)C2)中选择性蚀刻杂化A层(Al和Cu)制备了MXenes锚定的单原子铜催化剂用于电催化CO2还原为甲醇。结果表明,所制备的单原子Cu催化剂对生成CH3OH的法拉第效率高达59.1%,且具有良好的电催化稳定性。

直接甲醇燃料电池(DMFCs)是一种可持续、环保、高效的能源利用技术,甲醇选择性催化氧化(MOR)是其技术核心,关键挑战是制备具有高活性和长寿命的电催化剂。MXenes的二维层状结构和丰富的锚定位点,以及优异的导电性和结构稳定性,为制备这类催化剂提供了可能。Xu等[75]报道了MXenes和还原氧化石墨烯共同负载的纳米级Pd电催化剂Pd/Ti3C2Tx-rGO(1∶1),该催化剂对甲醇氧化反应的质量活性为753 mA/mg,是Pd/C(446 mA/mg)的1.7倍。另外,由于Ti3C2Tx和rGO在Pd和Ti3C2Tx/rGO之间的协同作用下能增强催化活性表面积和快速质荷转移,使得该催化剂具有出色的循环稳定性和长寿命。在使用7200 s后,催化剂的电流密度为比Pd/C高9倍。Wang等[76]成功将Pt纳米离子负载在Ti3C2 Mxenes表面,结果发现所制备的催化剂在MOR反应中具有较低的初始电位和较高的峰值电流密度。

氯霉素(CAP)作为一种广谱抗生素,在医药和畜牧业中常被滥用,使耐药细菌和基因带来的环境风险不断上升[77,78]。因此,通过温和高效的电化学加氢脱氯(EHDC)在释放前降解 CAP 引起了极大的兴趣。Li等[79]选择Ti3C2Tx-MXene纳米片作为超小的Pt NPs载体,形成可有效降解氯霉素的 Pt@MXene 电催化剂。在 1% Pt@MXene 上 90 min内可去除 98.7% 的 CAP,且经过 25 个稳定性测试循环后去除率仍保持在 86.5%。

3.7 膜分离

膜分离技术具有能耗低、效率高、易于大规模应用等特点,是气体分离和废水处理中较有发展前景的技术之一。在用于膜制备的纳米材料中,二维材料因具有丰富而均匀的纳米通道,可以打破分离过程中渗透率-选择性之间的平衡限制(trade-off),因此成为分离膜的理想材料。石墨烯及其衍生物氧化石墨烯(GO)、剥离的六方氮化硼 (h-BN)、石墨碳氮化物 (g-C3N4)、过渡金属二硫属化物 (TMD) 和MXenes作为几类典型的二维纳米材料,在结构、物理和/或化学方面具有很强的相似性,均被用于膜分离过程研究。此外,不同的二维材料可提供不同的材料特性,从而满足不同应用的需求。MXenes 因其丰富的表面化学和独特的物理化学性质而特别受关注,在气体分离、水净化等领域得到广泛研究[80]。

Wang 与Gogotsi等[81]共同报道了一种具有高度有序亚纳米通道的二维层状分子筛膜MXenes,利用MXenes纳米片表面丰富且均匀的末端基团支撑形成高度有序的二维层状纳米孔道,从而实现了快速、精准的气体分离能力:H2渗透通量达到2200 Barrer,H2/CO2的分离选择性达到160,突破了trade-off限制。Jin等[82](通过MXenes纳米片和硼酸盐及聚乙二胺(PEI)交联,有效实现了对MXenes膜层间距的调控,所制备的硼酸盐/PEI/MXenes混合膜具有显著增强的对CO2的渗透性。得益于良好的热稳定性,MXenes膜可以用于高温条件下的气体分离。Liu等[83]研究了MXenes膜在320℃下对H2/N2的分离性能,选择性高达41,且在长达200 h的运行中没有显示出降解的迹象。

高表面电荷、亲水性、离子吸附能力、化学可调性及抗菌性等特点使MXenes成为有吸引力的水处理材料。Xing等[84]利用溶剂作为模板,通过冷冻干燥法将扁平的Ti3C2Tx-MXenes纳米片弄皱。将褶皱的Ti3C2Tx纳米片组装成层状膜后,得到的c-Ti3C2Tx-MXenes膜与未起皱的Ti3C2Tx-MXenes膜相比,具有大量的界面空隙和增大的层间通道。其水和有机溶剂渗透性得到了显著增强,对水和丙酮的渗透量达5460和3745 L/m2·h·bar,渗透率约为相同质量负载的Ti3C2Tx膜的14和27倍。Xu等[85]将合成的二维Ti3C2Tx-MXenes纳米片掺入壳聚糖(CS)中,制造一种新的MXenes/CS混合基质膜,用于通过渗透蒸发过程进行溶剂脱水。结果表明,MXenes纳米片的掺入并没有增加表面吸附,但具有层间通道的组装MXenes层大大增强了水分子通过膜的渗透。因此,通过引入MXenes纳米片,提高了CS膜的通量和分离系数。Yang等[86]以市售钙膜为支撑,采用真空抽滤法制备了新型的Fe3O4@MXenes复合膜,显著增加MXenes的纯水通量。在复合膜层筛分和Fe3O4 NPs、MXenes纳米片吸附的协同作用下,溶液中重金属离子Cu2+、Cd2+和Cr6+的去除率分别为63.2%、64.1%和70.2%。经过HCl溶液洗涤和三个循环连续过滤实验,膜通量和重金属去除率均有较好的恢复。Li等[87]采用高长径比的Ti3C2Tx纳米片构筑了一种高度规整的层间通道二维膜,在处理水溶性抗生素和乙醇溶解性抗生素体系均有较强的分离性能。与有机纳滤膜相比,该膜渗透通量可提高一个数量级以上。

3.8 传感器

二维层状过渡金属二硫属化物(2DTMD)具有高表面积与体积比、良好的吸附性能、大量氧化还原反应活性位点和高表面反应性而被认为是有前景的传感材料,可将它们集成到化学传感器中来检测各种有害气体,例如NH3、NO2和VOCs等[88]。然而,仅使用2DTMD材料的气体传感设备通常具有高电阻,并且缺乏对目标分析物的选择性和回收率,尤其在室温下,这阻碍了它们在物联网中的实际传感应用。MXenes拥有稳定且易于调节的微观结构、高导电性、大的化学活性表面和可调节的亲水性等特性,将TMD与MXenes结合可能是进一步提高设备室温传感性能的有效策略[88]。Chen等[88]通过液相剥离和喷墨打印,制备了Ti3C2Tx/WSe2混合传感器,用于选择性检测各种挥发性有机化合物。Ti3C2Tx/WSe2混合传感器具有低噪声、超快响应和恢复时间以及对各种挥发性有机化合物的良好灵活性等优点,与原始Ti3C2Tx相比,混合传感器对乙醇的灵敏度提高了12倍以上且可重复、快速地气体响应和恢复。为了进一步了解Ti3C2Tx/WSe2在检测各种VOC中的优势,将传感器暴露于40 ppm的乙醇、甲醇、丙酮、己烷、苯和甲苯中,对于每个单独的目标分析物,Ti3C2Tx传感器显示出较小的正响应值,而Ti3C2Tx/WSe2传感器显示出负且高得多的响应值。

灵敏的气体检测器在检测空气中含有的有毒气体污染监测和通过呼吸分析进行治疗诊断方面变得越来越重要。在呼出的空气中检测低于零下百万分之一(ppm)水平的挥发性有机化合物(VOCs)对于疾病的早期诊断至关重要[89]。例如,对于诊断由幽门螺杆菌引起的消化性溃疡,迫切需要检测到50~2000 ppb的氨水平[90]。糖尿病患者与正常患者区分开,需要检测300~1800 ppb左右的丙酮水平[91,92]。Gogotsi等[93]研究表明Ti3C2Tx可以在室温条件下检测低至50 ppb的丙酮气体、100 ppb的乙醇气体和氨气,研究表明Ti3C2Tx对VOCs较为敏感,可以为疾病的早期治疗诊断提供关键条件。

PEC技术作为一种新型的研究手段,因其高敏感度、高效率、高反应速度、低噪音等特点具有广阔的应用前景。BiVO4以其合适的带隙、出色的水稳定性、低毒性,在PEC技术中应用广泛。Jiang等[94]发现Ti3C2-MXenes材料可以捕集由于轻微的氧化作用而产生的空穴,且在Ti3C2的界面修饰下可以控制空穴的转移方向,实现电荷的空间定向分布,弥补了BiVO4电子迁移率低、光吸收能力有限、活性位点少的特点。研究表明,Ti3C2Tx作为类金属材料,可与BiVO4半导体生成肖特基结,增强了光电转化效率,促进电荷的转移。

3.9 抗菌活性

近年来,MXenes在生物活性方面的潜力正逐渐被发现和重视。Rasool等[95]研究了MXenes表面上革兰氏细菌的生长。结果表明,Ti3C2Tx对革兰氏(+)和革兰氏(-)细菌均表现出优异的抗菌活性。随着Ti3C2Tx浓度的增加,细菌细胞的损失逐渐增加。在2 μg/mL的Ti3C2Tx浓度下,大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的存活率分别为92.53%和93.96%。此外,在较低浓度下,Ti3C2Tx分散体对枯草芽孢杆菌的影响比对大肠杆菌的影响更大。与氧化石墨烯(GO)相比,Ti3C2Tx-MXenes具有更高的抗菌活性。在200 μg/mL的浓度下,Ti3C2Tx对两种细菌菌株均显示超过98%的细胞灭活,而在相同浓度下GO的灭活率约为90%。

基于MXenes优异的抗菌性,其介导的抗菌和杀菌医用材料已经被开发出来。北京航空航天大学的李介博、洪维礼和北京大学医学部陈香梅等[96]通过将MXenes与近红外激光相结合,实现了在20 min内对细菌以及菌膜的快速高效杀除。西北工业大学张秋禹等[97]则设计开发了具有自愈合、导电和组织粘附性的2D Ti3C2Tx MXenes基支架,该支架具有止血能力、良好的生物相容性和出色的MRSA感染伤口愈合能力,有望解决伤口愈合及皮肤再生过程中的细菌感染问题。

3.10 电磁吸收与屏蔽

随着经济的发展,电子设备广泛应用于日常生活中,尤其是随着5G时代的到来,造成更严重的电磁污染,不但影响人体健康,而且会使民用或军用中的电子设备发生故障和退化[98],性能优异的电磁吸收材料也是提升装备隐身性能的关键。传统的电磁屏蔽(EMI)材料由导电性高、渗透性好的金属或金属氧化物制成。然而,由于密度高、吸收带宽窄、阻抗差且易腐蚀,使其应用受到局限[99,100]。随着Al层被蚀刻,MXenes表面会产生了大量缺陷,可提供MXenes优异的导电性和介电性能,加之其二维片层结构和优异的稳定性,使其成为理想的电磁吸收和屏蔽材料。

Cui等[101]研究发现不同的合成条件对MXenes的电磁吸收性能有很大的影响。用HCl-LiF蚀刻24 h所得的Ti3C2Tx在厚度为4 mm时具有最小反射损耗,为-27.5 dB;然而,在相同的蚀刻时间和负载量下,用HF蚀刻获得的Ti3C2Tx在厚度为1.7 mm时就可获得-42.5 dB的电磁损耗,可调吸收带宽可达5 GHz。这是因为HCl-LiF蚀刻,导致MXenes层数较少;而由HF制备的多层MXenes具有更强的层间反射。

MXenes基材料在轻量化方面具有很大潜力。Weng等[102]使用浸涂和单向冷冻干燥技术制备了层状MXenes/AgNW海绵。由于AgNW和Ti3C2Tx-MXene的协同作用,混合海绵的密度仅为49.5 mg·cm-3,而其RL可达-52.6 dB。Liang等[103]通过定向冷冻法和肼蒸汽还原法制备得到一种含有磁性Ni纳米链锚定的三维MXenes/石墨烯复合气凝胶。特殊的取向结构和介电/磁性组分的异质界面有利于获得优异的吸波性能,具有良好的阻抗匹配、多重极化和电/磁耦合效应,最小反射损耗为 -75.2 dB,最宽有效频率达7.3 GHz。此外,该气凝胶优良的结构坚固性和机械性能,以及高疏水性和隔热性能,保证了其稳定和持久的 EMA 应用性能,并可以抵抗变形,水或潮湿的环境,及高温攻击。

引入铁氧体、羰基铁、氧化铁或氧化镍等磁性材料可以进一步增加MXenes的吸收带宽,而且提高了微波吸收性能。Feng等[104]通过碱化和表面镍离子改性Ti3C2-MXenes合成了Ni改性的MXenes,显著增强了2~18 GHz频段的吸收能力。Liang等[105]制备了MXenes/Ni混合材料,由一维Ni纳米链和二维Ti3C2Tx纳米片组成。在11.9 GHz下,厚度为1.75 mm的MXenes/Ni混合材料最小RL达到-49.9 dB,有效吸收带宽达到2.1 GHz,随着Ti3C2Tx含量的增加,电磁屏蔽效率进一步提高。Wang等[106]通过HF蚀刻、共沉淀和原位聚合途径合成了Ti3C2/Fe3O4/PANI复合材料的分级结构,在15.3 GHz频率下最小RL为-40.3 dB,远高于Fe3O和Ti3C2/Fe3O4。此外,它显示出5.2 GHz (12.8~18 GHz)的有效吸收带宽。

2016年,Gogotsi等[108]首次发现含Ti的MXenes材料具有较好的电磁屏蔽性能(图4),并提出了多次反射和表面偶极吸收的作用机制。2020年,他们[107]报道了一类氮掺杂的二维过渡金属碳化物Ti3CNTx MXenes,并通过真空辅助过滤的方式制备成膜,展现出了比同厚度无掺杂Ti3CTx或金属薄膜材料更高的电磁屏蔽能力,达-61 dB。进一步地,通过在150℃、250℃、350℃中的Ar气氛中进行热煅烧处理,电磁屏蔽效应提升到-77 dB、-99 dB和-116 dB,体现了较好的应用前景。热锻烧所带来的电磁吸收能力的提升,可能是源自煅烧过程中超材料结构的出现,提升了介电常数和磁导率。

4 结论与展望

国内外研究者通过各种方法合成MXenes相材料,并对其进行了理论和计算分析。研究表明二维材料MXenes具有独特的层状结构、优异的导电性和亲水性,且在放射性元素、重金属元素和有机物吸附、光催化还原CO2和降解有机物、环境监测和生物活性等领域中有广泛应用。但是相对于石墨烯等二维材料的研究而言,关于MXenes相的认识尚在初始阶段,还存在着下述问题:

(1)MXene相的制备。现在大多数制备方法以其对应的MAX相物质为前驱物,合成方法较为单一,大量制备较为困难,制备出的物质会由于刻蚀而产生结构缺陷,影响其性能;一般得到的产物多为多层结构,很难制备出少层甚至单层的MXenes相物质。

(2)MXenes的研究还不够成熟。现在大多数研究还停留在基础阶段,其表面官能团使其结构更加复杂,研究困难加大;研究缺乏大量的实验数据支持,实际应用范围较窄,使其研究不能得到快速的发展。

(3)MXenes的稳定性。表面的官能团煅烧时易去除,破坏其表面的相对活性且温度较高时,会被O2氧化为金属氧化物,丧失了原有的性能。

综上所述,自 2011 年首次报道 MXenes 以来,研究人员已经投入了巨大而持续的努力来探索 MXenes 的制备、性质和应用潜力。特别是近年来,基于MXenes的应用在各领域都取得了许多创新和有意义的进展。然而,目前的研究仍处于起步阶段,针对不同应用目的的材料结构的设计与阐明作用机制仍然具有挑战性。我们的总结只是包含了其中很小一部分,但我们仍希望借此能够有助于更好地理解MXenes基材料当前并存的挑战和机遇,为不同领域的科研工作者提供一些参考。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Li J R, Kuppler R J, Zhou H C. Chem. Soc. Rev., 2009, 38(5): 1477.

[2]

Stoller M D, Park S, Zhu Y W, An J, Ruoff R S. Nano Lett., 2008, 8(10): 3498.

[3]

Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S V, Grigorieva I V, Firsov A A. Science, 2004, 306(5696): 666.

[4]

Khazaei M, Arai M, Sasaki T, Estili M, Sakka Y. Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16(17): 7841.

[5]

Zhao Y, Watanabe K, Hashimoto K. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134(48): 19528.

[6]

Naguib M, Kurtoglu M, Presser V, Lu J, Niu J J, Heon M, Hultman L, Gogotsi Y, Barsoum M W. Adv. Mater., 2011, 23(37): 4248.

[7]

Chaudhari N K, Jin H, Kim B, San Baek D, Joo S H, Lee K. J. Mater. Chem. A, 2017, 5: 24564.

[8]

Ghidiu M, Lukatskaya M R, Zhao M Q, Gogotsi Y, Barsoum M W. Nature, 2014, 516(7529): 78.

[9]

Halim J, Lukatskaya M R, Cook K M, Lu J, Smith C R, N Slund L K, May S J, Hultman L, Gogotsi Y, Eklund P. Chemistry of Materials A Publication of the American Chemical Society, 2014, 26(7): 2374.
[10]

Wang X, Garnero C, Rochard G, Magne D, Morisset S, Hurand S, Chartier P, Rousseau J, Cabioc’h T, Coutanceau C, Mauchamp V, CÉlÉrier S. J. Mater. Chem. A, 2017, 5(41): 22012.

[11]

Naguib M, Mochalin V N, Barsoum M W, Gogotsi Y. Adv. Mater., 2014, 26(7): 992.

[12]

Morel A, Borjon-Piron Y, Porto R L, Brousse T, BÉlanger D. J. Electrochem. Soc., 2016, 163(6): A1077.

[13]

Zhong Y, Xia X H, Shi F, Zhan J Y, Tu J P, Fan H J. Adv. Sci., 2016, 3(5): 1500286.

[14]

Urbankowski P, Anasori B, Makaryan T, Er D, Gogotsi Y. Nanoscale, 2016, 8(22): 11385.

[15]

Li T F, Yao L L, Liu Q L, Gu J J, Luo R C, Li J H, Yan X D, Wang W Q, Liu P, Chen B, Zhang W, Abbas W, Naz R, Zhang D. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57(21): 6115.

[16]

Li M, Lu J, Luo K, Li Y B, Chang K K, Chen K, Zhou J, Rosen J, Hultman L, Eklund P, Persson P O Å, Du S Y, Chai Z F, Huang Z R, Huang Q. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(11): 4730.

[17]

Li Y B, Shao H, Lin Z F, Lu J, Liu L Y, Duployer B, Persson P O Å, Eklund P, Hultman L, Li M, Chen K, Zha X H, Du S Y, Rozier P, Chai Z F, Raymundo-Piñero E, Taberna P L, Simon P, Huang Q. Nat. Mater., 2020, 19: 894.

[18]

Shi H H, Zhang P P, Liu Z C, Park S, Lohe M R, Wu Y P, Shaygan Nia A, Yang S, Feng X L. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(16): 8689.

[19]

Yang S, Zhang P P, Wang F X, Ricciardulli A G, Lohe M R, Blom P W M, Feng X L. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57(47): 15491.

[20]

Pang S Y, Wong Y T, Yuan S G, Liu Y, Tsang M K, Yang Z B, Huang H T, Wong W T, Hao J H. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(24): 9610.

[21]

Maleski K, Mochalin V N, Gogotsi Y. Chem. Mater., 2017, 29(4): 1632.

[22]

Zhang Q X, Lai H R, Fan R Z, Ji P Y, Fu X L, Li H. ACS Nano, 2021, 15(3): 5249.

[23]

Chowdhury S, Mazumder M A J, Al-Attas O, Husain T. Sci. Total. Environ., 2016, 569/570: 476.

[24]

GrandclÉment C, Seyssiecq I, Piram A, Wong-Wah-Chung P, Vanot G, Tiliacos N, Roche N, Doumenq P. Water Res., 2017, 111: 297.

[25]

Wang L, Song H, Yuan L Y, Li Z J, Zhang Y J, Gibson J K, Zheng L R, Chai Z F, Shi W Q. Environ. Sci. Technol., 2018, 52(18): 10748.

[26]

Peng Q M, Guo J X, Zhang Q R, Xiang J Y, Liu B Z, Zhou A G, Liu R P, Tian Y J. J. Am. Chem. Soc., 2014, 136(11): 4113.

[27]

Guo J X, Peng Q M, Fu H, Zou G D, Zhang Q R. J. Phys. Chem. C, 2015, 119(36): 20923.

[28]

Gu P C, Xing J L, Wen T, Zhang R, Wang J, Zhao G X, Hayat T, Ai Y J, Lin Z, Wang X K. Environ Sci Nano, 2018, 5(4): 946.

[29]

Fard A K, McKay G, Chamoun R, Rhadfi T, Preud’Homme H, Atieh M A. Chem. Eng. J., 2017, 317: 331.

[30]

Shahzad A, Rasool K, Miran W, Nawaz M, Jiang J, Mahmoud KA, Lee D S. Journal of Hazardous Materials, 2018, 344: 811.

[31]

Shahzad A, Rasool K, Miran W, Nawaz M, Jang J, Mahmoud K A, Lee D S. J. Hazard. Mater., 2018, 344: 811.

[32]

Ying Y L, Liu Y, Wang X Y, Mao Y Y, Cao W, Hu P, Peng X S. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7(3): 1795.

[33]

Zhang P C, Wang L, Du K, Wang S Y, Huang Z W, Yuan L Y, Li Z J, Wang H Q, Zheng L R, Chai Z F, Shi W Q. J. Hazard. Mater., 2020, 396: 122731.

[34]

Wang S Y, Wang L, Li Z J, Zhang P C, Du K, Yuan L Y, Ning S Y, Wei Y Z, Shi W Q. J. Hazard. Mater., 2021, 408: 124949.

[35]

Zou G D, Guo J X, Peng Q M, Zhou A G, Zhang Q R, Liu B Z. J. Mater. Chem. A, 2016, 4(2): 489.

[36]

Wang L, Tao W Q, Yuan L Y, Liu Z R, Huang Q, Chai Z F, Gibson J K, Shi W Q. Chem. Commun., 2017, 53(89): 12084.

[37]

Zhang Y J, Lan J H, Wang L, Wu Q Y, Wang C Z, Bo T, Chai Z F, Shi W Q. J. Hazard. Mater., 2016, 308: 402.

[38]

Zhang P, Wang L, Yuan L Y, Lan J H, Chai Z F, Shi W Q. Chem. Eng. J., 2019, 370: 1200.

[39]

Tran N M, Ta Q T H, Sreedhar A, Noh J S. Appl. Surf. Sci., 2021, 537: 148006.

[40]

Mashtalir O, Cook K M, Mochalin V N, Crowe M, Barsoum M W, Gogotsi Y. J. Mater. Chem. A, 2014, 2(35): 14334.

[41]

Kim S, Yu M, Yoon Y. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12(14): 16557.

[42]

Li K K, Zou G D, Jiao T F, Xing R R, Zhang L X, Zhou J X, Zhang Q R, Peng Q M. Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Aspects, 2018, 553: 105.

[43]

Kim S, Gholamirad F, Yu M, Park C M, Jang A, Jang M, Taheri-Qazvini N, Yoon Y. Chem. Eng. J., 2021, 406: 126789.

[44]

Meng F Y, Seredych M, Chen C, Gura V, Mikhalovsky S, Sandeman S, Ingavle G, Ozulumba T, Miao L, Anasori B, Gogotsi Y. ACS Nano, 2018, 12(10): 10518.

[45]

Persson I, Halim J, Lind H, Hansen T W, Wagner J B, Näslund L Å, Darakchieva V, Palisaitis J, Rosen J, Persson P O Å. Adv. Mater., 2019, 31(2): 1805472.

[46]

Halmann M. Nature, 1978, 275(5676): 115.

[47]

Zeng Z P, Yan Y B, Chen J, Zan P, Tian Q H, Chen P. Adv. Funct. Mater., 2019, 29(2): 1806500.

[48]

Low J, Zhang L Y, Tong T, Shen B J, Yu J G. J. Catal., 2018, 361: 255.

[49]

Liu N, Lu N, Yu H T, Chen S, Quan X. Chemosphere, 2020, 246: 10.
[50]

Hisatomi T, Kubota J, Domen K. Chem. Soc. Rev., 2014, 43(22): 7520.

[51]

Li X, Bai Y, Shi X, Su N, Nie G Z, Zhang R M, Nie H B, Ye L Q. Mater. Adv., 2021, 2(5): 1570.

[52]

Xiao R, Zhao C X, Zou Z Y, Chen Z P, Tian L, Xu H T, Tang H, Liu Q Q, Lin Z X, Yang X F. Appl. Catal. B Environ., 2020, 268: 118382.

[53]

Wang H, Peng R, Hood Z D, Naguib M, Adhikari S P, Wu Z L. ChemSusChem, 2016, 9(12): 1490.

[54]

Chen C R, Xun L J, Zhang P, Zhang J L, Tian B Z. Res Chem Intermed, 2019, 45(6): 3513.

[55]

Qiao X Q, Zhang Z W, Li Q H, Hou D F, Zhang Q C, Zhang J, Li D S, Feng P Y, Bu X H. J. Mater. Chem. A, 2018, 6(45): 22580.

[56]

Wang S B, Guan B Y, Lu Y, Lou X W. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(48): 17305.

[57]

Huang H S, Jiang X, Li N J, Chen D Y, Xu Q F, Li H, He J H, Lu J M. Appl. Catal. B Environ., 2021, 284: 119754.

[58]

Yuan Z T, Huang H S, Li N J, Chen D Y, Xu Q F, Li H, He J H, Lu J M. J. Hazard. Mater., 2021, 409: 125027.

[59]

Liu A M, Liang X Y, Ren X F, Guan W X, Gao M F, Yang Y N, Yang Q Y, Gao L G, Li Y Q, Ma T L. Adv. Funct. Mater., 2020, 30(38): 2003437.

[60]

Shi M M, Bao D, Wulan B R, Li Y H, Zhang Y F, Yan J M, Jiang Q. Adv. Mater., 2017, 29(17): 1606550.

[61]

Gruber N, Galloway J N. Nature, 2008, 451(7176): 293.

[62]

Zhu X J, Mou S Y, Peng Q L, Liu Q, Luo Y L, Chen G, Gao S Y, Sun X P. J. Mater. Chem. A, 2020, 8(4): 1545.

[63]

Zhao J X, Zhang L, Xie X Y, Li X H, Ma Y J, Liu Q, Fang W H, Shi X F, Cui G L, Sun X P. J. Mater. Chem. A, 2018, 6(47): 24031.

[64]

Li L, Wang X Y, Guo H R, Yao G, Yu H B, Tian Z Q, Li B H, Chen L. Small Methods, 2019, 3(11): 1900337.

[65]

Li J, Zhan G M, Yang J H, Quan F J, Mao C L, Liu Y, Wang B, Lei F C, Li L J, Chan A W M, Xu L P, Shi Y B, Du Y, Hao W C, Wong P K, Wang J F, Dou S X, Zhang L Z, Yu J C. J. Am. Chem. Soc., 2020, 142(15): 7036.

[66]

Li L X, Sun W J, Zhang H Y, Wei J L, Wang S X, He J H, Li N J, Xu Q F, Chen D Y, Li H, Lu J M. J. Mater. Chem. A, 2021, 9(38): 21771.

[67]

Sun W J, Ji H Q, Li L X, Zhang H Y, Wang Z K, He J H, Lu J M. Angewandte Chemie Int. Ed., 2021, 60(42): 22933.

[68]

Cheng F Y, Chen J. Chem. Soc. Rev., 2012, 41(6): 2172.

[69]

Seitz L C, Dickens C F, Nishio K, Hikita Y, Montoya J, Doyle A, Kirk C, Vojvodic A, Hwang H Y, Norskov J K, Jaramillo T F. Science, 2016, 353(6303): 1011.

[70]

Yu M Z, Zhou S, Wang Z Y, Zhao J J, Qiu J S. Nano Energy, 2018, 44: 181.

[71]

Xie X H, Chen S G, Ding W, Nie Y, Wei Z D. Chem. Commun., 2013, 49(86): 10112.

[72]

Cui C, Cheng R F, Zhang H, Zhang C, Ma Y H, Shi C, Fan B B, Wang H L, Wang X H. Adv. Funct. Mater., 2020, 30(47): 2000693.

[73]

Li N, Chen X Z, Ong W J, MacFarlane D R, Zhao X J, Cheetham A K, Sun C H. ACS Nano, 2017, 11(11): 10825.

[74]

Zhao Q, Zhang C, Hu R M, Du Z G, Gu J N, Cui Y, Chen X, Xu W J, Cheng Z J, Li S M, Li B, Liu Y F, Chen W H, Liu C T, Shang J X, Song L, Yang S B. ACS Nano, 2021, 15(3): 4927.

[75]

Zhang L Y, Jiang H C, Zhang J F, Huang Y F, Tian J W, Deng X W, Zhao X H, Zhang W L. Nanotechnology, 2020, 31(1): 015504.

[76]

Wang Y J, Wang J K, Han G K, Du C Y, Deng Q H, Gao Y Z, Yin G P, Song Y. Ceram. Int., 2019, 45(2): 2411.

[77]

Chen J M, Xia Y J, Dai Q Z. Electrochimica Acta, 2015, 165: 277.

[78]

Yang L M, Chen Z L, Cui D, Luo X B, Liang B, Yang L X, Liu T, Wang A J, Luo S L. Chem. Eng. J., 2019, 359: 894.

[79]

Li L X, Zhang G C, Sun W J, Zhang H Y, Wang S X, Wei J L, He J H, Song K, Lu J M. Chem. Eng. J., 2022, 433, Part 1: 134415.

[80]

Karahan H E, Goh K, Zhang C J, Yang E, Yıldırım C, Chuah C Y, Ahunbay M G, Lee J, Tantekin-Ersolmaz B, Chen Y, Bae T H. Adv. Mater., 2020, 32(29): 1906697.

[81]

Ding L, Wei Y Y, Li L B, Zhang T, Wang H H, Xue J, Ding L X, Wang S Q, Caro J, Gogotsi Y. Nat. Commun., 2018, 9: 155.

[82]

Shen J, Liu G Z, Ji Y F, Liu Q, Cheng L, Guan K C, Zhang M C, Liu G P, Xiong J, Yang J, Jin W Q. Adv. Funct. Mater., 2018, 28(31): 1801511.

[83]

Fan Y Y, Wei L Y, Meng X X, Zhang W M, Yang N T, Jin Y, Wang X B, Zhao M W, Liu S M. J. Membr. Sci., 2019, 569: 117.

[84]

Xing Y D, Akonkwa G, Liu Z, Ye H Q, Han K. ACS Appl. Nano Mater., 2020, 3(2): 1526.

[85]

Xu Z, Liu G Z, Ye H, Jin W Q, Cui Z F. J. Membr. Sci., 2018, 563: 625.

[86]

Yang X J, Liu Y C, Hu S X, Yu F T, He Z Z, Zeng G Y, Feng Z H, Sengupta A. Polym. Adv. Technol., 2021, 32(3): 1000.

[87]

Li Z K, Wei Y Y, Gao X, Ding L, Lu Z, Deng J J, Yang X F, Caro J, Wang H H. Angew Chem-Int Edit, 2020, 59(24): 9751.

[88]

Chen W Y, Jiang X F, Lai S N, Peroulis D, Stanciu L. Nat. Commun., 2020, 11: 1302.

[89]

Kahn N, Lavie O, Paz M, Segev Y, Haick H. Nano Lett., 2015, 15(10): 7023.

[90]

Kearney D J, Hubbard T, Putnam D. Dig. Dis. Sci., 2002, 47(11): 2523.

[91]

Kim N H, Choi S J, Kim S J, Cho H J, Jang J S, Koo W T, Kim M, Kim I D. Sens. Actuat. B Chem., 2016, 224: 185.

[92]

Koo W T, Yu S, Choi S J, Jang J S, Cheong J Y, Kim I D. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9(9): 8201.

[93]

Kim S J, Koh H J, Ren C G, Kwon O, Maleski K, Cho S Y, Anasori B, Kim C K, Choi Y K, Kim J, Gogotsi Y, Jung H T. ACS Nano, 2018, 12(2): 986.

[94]

Jiang Q Q, Wang H J, Wei X Q, Wu Y, Gu W L, Hu L Y, Zhu C Z. Anal. Chimica Acta, 2020, 1119: 11.

[95]

Rasool K, Helal M, Ali A, Ren C G, Gogotsi Y, Mahmoud K A. ACS Nano, 2016, 10(3): 3674.

[96]

Wu F, Zheng H L, Wang W Z, Wu Q, Zhang Q, Guo J Y, Pu B Z, Shi X Y, Li J B, Chen X M, Hong W L. Sci. China Mater., 2021, 64(3): 748.

[97]

Zhou L, Zheng H, Liu Z X, Wang S Q, Liu Z, Chen F, Zhang H P, Kong J, Zhou F T, Zhang Q Y. ACS Nano, 2021, 15(2): 2468.

[98]

Nasr Esfahani A, Katbab A, Taeb A, Simon L, Pope M A. Eur. Polym. J., 2017, 95: 520.

[99]

Abbasi H, Antunes M, Velasco J I. Prog. Mater. Sci., 2019, 103: 319.

[100]

Kumar P, Narayan Maiti U, Sikdar A, Kumar Das T, Kumar A, Sudarsan V. Polym. Rev., 2019, 59(4): 687.

[101]

Cui G Z, Sun X D, Zhang G Y, Zhang Z, Liu H, Gu J, Gu G X. Mater. Lett., 2019, 252: 8.

[102]

Weng C X, Wang G R, Dai Z H, Pei Y M, Liu L Q, Zhang Z. Nanoscale, 2019, 11(47): 22804.

[103]

Liang L Y, Li Q M, Yan X, Feng Y Z, Wang Y M, Zhang H B, Zhou X P, Liu C T, Shen C Y, Xie X L. ACS Nano, 2021, 15(4): 6622.

[104]

Feng W L, Luo H, Zeng S F, Chen C, Deng L W, Tan Y Q, Zhou X S, Peng S M, Zhang H B. Mater. Chem. Front., 2018, 2(12): 2320.

[105]

Liang L Y, Han G J, Li Y, Zhao B, Zhou B, Feng Y Z, Ma J M, Wang Y M, Zhang R, Liu C T. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11(28): 25399.

[106]

Wang Y, Gao X, Zhang L J, Wu X M, Wang Q G, Luo C Y, Wu G L. Appl. Surf. Sci., 2019, 480: 830.

[107]

Iqbal A, Shahzad F, Hantanasirisakul K, Kim M K, Kwon J, Hong J, Kim H, Kim D, Gogotsi Y, Koo C M. Science, 2020, 369(6502): 446.

[108]

Shahzad F, Alhabeb M, Hatter C B, Anasori B, Man Hong S, Koo C M, Gogotsi Y. Science, 2016, 353(6304): 1137.

[1]
Li J R, Kuppler R J, Zhou H C. Chem. Soc. Rev., 2009, 38(5): 1477.
[2]
Stoller M D, Park S, Zhu Y W, An J, Ruoff R S. Nano Lett., 2008, 8(10): 3498.
[3]
Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S V, Grigorieva I V, Firsov A A. Science, 2004, 306(5696): 666.
[4]
Khazaei M, Arai M, Sasaki T, Estili M, Sakka Y. Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16(17): 7841.
[5]
Zhao Y, Watanabe K, Hashimoto K. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134(48): 19528.
[6]
Naguib M, Kurtoglu M, Presser V, Lu J, Niu J J, Heon M, Hultman L, Gogotsi Y, Barsoum M W. Adv. Mater., 2011, 23(37): 4248.
[7]
Chaudhari N K, Jin H, Kim B, San Baek D, Joo S H, Lee K. J. Mater. Chem. A, 2017, 5: 24564.
[8]
Ghidiu M, Lukatskaya M R, Zhao M Q, Gogotsi Y, Barsoum M W. Nature, 2014, 516(7529): 78.
[9]
Halim J, Lukatskaya M R, Cook K M, Lu J, Smith C R, N Slund L K, May S J, Hultman L, Gogotsi Y, Eklund P. Chemistry of Materials A Publication of the American Chemical Society, 2014, 26(7): 2374.
[10]
Wang X, Garnero C, Rochard G, Magne D, Morisset S, Hurand S, Chartier P, Rousseau J, Cabioc’h T, Coutanceau C, Mauchamp V, Célérier S. J. Mater. Chem. A, 2017, 5(41): 22012.
[11]
Naguib M, Mochalin V N, Barsoum M W, Gogotsi Y. Adv. Mater., 2014, 26(7): 992.
[12]
Morel A, Borjon-Piron Y, Porto R L, Brousse T, Bélanger D. J. Electrochem. Soc., 2016, 163(6): A1077.
[13]
Zhong Y, Xia X H, Shi F, Zhan J Y, Tu J P, Fan H J. Adv. Sci., 2016, 3(5): 1500286.
[14]
Urbankowski P, Anasori B, Makaryan T, Er D, Gogotsi Y. Nanoscale, 2016, 8(22): 11385.
[15]
Li T F, Yao L L, Liu Q L, Gu J J, Luo R C, Li J H, Yan X D, Wang W Q, Liu P, Chen B, Zhang W, Abbas W, Naz R, Zhang D. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57(21): 6115.
[16]
Li M, Lu J, Luo K, Li Y B, Chang K K, Chen K, Zhou J, Rosen J, Hultman L, Eklund P, Persson P O ?, Du S Y, Chai Z F, Huang Z R, Huang Q. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(11): 4730.
[17]
Li Y B, Shao H, Lin Z F, Lu J, Liu L Y, Duployer B, Persson P O ?, Eklund P, Hultman L, Li M, Chen K, Zha X H, Du S Y, Rozier P, Chai Z F, Raymundo-Pi?ero E, Taberna P L, Simon P, Huang Q. Nat. Mater., 2020, 19: 894.
[18]
Shi H H, Zhang P P, Liu Z C, Park S, Lohe M R, Wu Y P, Shaygan Nia A, Yang S, Feng X L. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(16): 8689.
[19]
Yang S, Zhang P P, Wang F X, Ricciardulli A G, Lohe M R, Blom P W M, Feng X L. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57(47): 15491.
[20]
Pang S Y, Wong Y T, Yuan S G, Liu Y, Tsang M K, Yang Z B, Huang H T, Wong W T, Hao J H. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(24): 9610.
[21]
Maleski K, Mochalin V N, Gogotsi Y. Chem. Mater., 2017, 29(4): 1632.
[22]
Zhang Q X, Lai H R, Fan R Z, Ji P Y, Fu X L, Li H. ACS Nano, 2021, 15(3): 5249.
[23]
Chowdhury S, Mazumder M A J, Al-Attas O, Husain T. Sci. Total. Environ., 2016, 569/570: 476.
[24]
Grandclément C, Seyssiecq I, Piram A, Wong-Wah-Chung P, Vanot G, Tiliacos N, Roche N, Doumenq P. Water Res., 2017, 111: 297.
[25]
Wang L, Song H, Yuan L Y, Li Z J, Zhang Y J, Gibson J K, Zheng L R, Chai Z F, Shi W Q. Environ. Sci. Technol., 2018, 52(18): 10748.
[26]
Peng Q M, Guo J X, Zhang Q R, Xiang J Y, Liu B Z, Zhou A G, Liu R P, Tian Y J. J. Am. Chem. Soc., 2014, 136(11): 4113.
[27]
Guo J X, Peng Q M, Fu H, Zou G D, Zhang Q R. J. Phys. Chem. C, 2015, 119(36): 20923.
[28]
Gu P C, Xing J L, Wen T, Zhang R, Wang J, Zhao G X, Hayat T, Ai Y J, Lin Z, Wang X K. Environ Sci Nano, 2018, 5(4): 946.
[29]
Fard A K, McKay G, Chamoun R, Rhadfi T, Preud’Homme H, Atieh M A. Chem. Eng. J., 2017, 317: 331.
[30]
Shahzad A, Rasool K, Miran W, Nawaz M, Jiang J, Mahmoud KA, Lee D S. Journal of Hazardous Materials, 2018, 344: 811.
[31]
Shahzad A, Rasool K, Miran W, Nawaz M, Jang J, Mahmoud K A, Lee D S. J. Hazard. Mater., 2018, 344: 811.
[32]
Ying Y L, Liu Y, Wang X Y, Mao Y Y, Cao W, Hu P, Peng X S. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7(3): 1795.
[33]
Zhang P C, Wang L, Du K, Wang S Y, Huang Z W, Yuan L Y, Li Z J, Wang H Q, Zheng L R, Chai Z F, Shi W Q. J. Hazard. Mater., 2020, 396: 122731.
[34]
Wang S Y, Wang L, Li Z J, Zhang P C, Du K, Yuan L Y, Ning S Y, Wei Y Z, Shi W Q. J. Hazard. Mater., 2021, 408: 124949.
[35]
Zou G D, Guo J X, Peng Q M, Zhou A G, Zhang Q R, Liu B Z. J. Mater. Chem. A, 2016, 4(2): 489.
[36]
Wang L, Tao W Q, Yuan L Y, Liu Z R, Huang Q, Chai Z F, Gibson J K, Shi W Q. Chem. Commun., 2017, 53(89): 12084.
[37]
Zhang Y J, Lan J H, Wang L, Wu Q Y, Wang C Z, Bo T, Chai Z F, Shi W Q. J. Hazard. Mater., 2016, 308: 402.
[38]
Zhang P, Wang L, Yuan L Y, Lan J H, Chai Z F, Shi W Q. Chem. Eng. J., 2019, 370: 1200.
[39]
Tran N M, Ta Q T H, Sreedhar A, Noh J S. Appl. Surf. Sci., 2021, 537: 148006.
[40]
Mashtalir O, Cook K M, Mochalin V N, Crowe M, Barsoum M W, Gogotsi Y. J. Mater. Chem. A, 2014, 2(35): 14334.
[41]
Kim S, Yu M, Yoon Y. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12(14): 16557.
[42]
Li K K, Zou G D, Jiao T F, Xing R R, Zhang L X, Zhou J X, Zhang Q R, Peng Q M. Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Aspects, 2018, 553: 105.
[43]
Kim S, Gholamirad F, Yu M, Park C M, Jang A, Jang M, Taheri-Qazvini N, Yoon Y. Chem. Eng. J., 2021, 406: 126789.
[44]
Meng F Y, Seredych M, Chen C, Gura V, Mikhalovsky S, Sandeman S, Ingavle G, Ozulumba T, Miao L, Anasori B, Gogotsi Y. ACS Nano, 2018, 12(10): 10518.
[45]
Persson I, Halim J, Lind H, Hansen T W, Wagner J B, N?slund L ?, Darakchieva V, Palisaitis J, Rosen J, Persson P O ?. Adv. Mater., 2019, 31(2): 1805472.
[46]
Halmann M. Nature, 1978, 275(5676): 115.
[47]
Zeng Z P, Yan Y B, Chen J, Zan P, Tian Q H, Chen P. Adv. Funct. Mater., 2019, 29(2): 1806500.
[48]
Low J, Zhang L Y, Tong T, Shen B J, Yu J G. J. Catal., 2018, 361: 255.
[49]
Liu N, Lu N, Yu H T, Chen S, Quan X. Chemosphere, 2020, 246: 10.
[50]
Hisatomi T, Kubota J, Domen K. Chem. Soc. Rev., 2014, 43(22): 7520.
[51]
Li X, Bai Y, Shi X, Su N, Nie G Z, Zhang R M, Nie H B, Ye L Q. Mater. Adv., 2021, 2(5): 1570.
[52]
Xiao R, Zhao C X, Zou Z Y, Chen Z P, Tian L, Xu H T, Tang H, Liu Q Q, Lin Z X, Yang X F. Appl. Catal. B Environ., 2020, 268: 118382.
[53]
Wang H, Peng R, Hood Z D, Naguib M, Adhikari S P, Wu Z L. ChemSusChem, 2016, 9(12): 1490.
[54]
Chen C R, Xun L J, Zhang P, Zhang J L, Tian B Z. Res Chem Intermed, 2019, 45(6): 3513.
[55]
Qiao X Q, Zhang Z W, Li Q H, Hou D F, Zhang Q C, Zhang J, Li D S, Feng P Y, Bu X H. J. Mater. Chem. A, 2018, 6(45): 22580.
[56]
Wang S B, Guan B Y, Lu Y, Lou X W. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(48): 17305.
[57]
Huang H S, Jiang X, Li N J, Chen D Y, Xu Q F, Li H, He J H, Lu J M. Appl. Catal. B Environ., 2021, 284: 119754.
[58]
Yuan Z T, Huang H S, Li N J, Chen D Y, Xu Q F, Li H, He J H, Lu J M. J. Hazard. Mater., 2021, 409: 125027.
[59]
Liu A M, Liang X Y, Ren X F, Guan W X, Gao M F, Yang Y N, Yang Q Y, Gao L G, Li Y Q, Ma T L. Adv. Funct. Mater., 2020, 30(38): 2003437.
[60]
Shi M M, Bao D, Wulan B R, Li Y H, Zhang Y F, Yan J M, Jiang Q. Adv. Mater., 2017, 29(17): 1606550.
[61]
Gruber N, Galloway J N. Nature, 2008, 451(7176): 293.
[62]
Zhu X J, Mou S Y, Peng Q L, Liu Q, Luo Y L, Chen G, Gao S Y, Sun X P. J. Mater. Chem. A, 2020, 8(4): 1545.
[63]
Zhao J X, Zhang L, Xie X Y, Li X H, Ma Y J, Liu Q, Fang W H, Shi X F, Cui G L, Sun X P. J. Mater. Chem. A, 2018, 6(47): 24031.
[64]
Li L, Wang X Y, Guo H R, Yao G, Yu H B, Tian Z Q, Li B H, Chen L. Small Methods, 2019, 3(11): 1900337.
[65]
Li J, Zhan G M, Yang J H, Quan F J, Mao C L, Liu Y, Wang B, Lei F C, Li L J, Chan A W M, Xu L P, Shi Y B, Du Y, Hao W C, Wong P K, Wang J F, Dou S X, Zhang L Z, Yu J C. J. Am. Chem. Soc., 2020, 142(15): 7036.
[66]
Li L X, Sun W J, Zhang H Y, Wei J L, Wang S X, He J H, Li N J, Xu Q F, Chen D Y, Li H, Lu J M. J. Mater. Chem. A, 2021, 9(38): 21771.
[67]
Sun W J, Ji H Q, Li L X, Zhang H Y, Wang Z K, He J H, Lu J M. Angewandte Chemie Int. Ed., 2021, 60(42): 22933.
[68]
Cheng F Y, Chen J. Chem. Soc. Rev., 2012, 41(6): 2172.
[69]
Seitz L C, Dickens C F, Nishio K, Hikita Y, Montoya J, Doyle A, Kirk C, Vojvodic A, Hwang H Y, Norskov J K, Jaramillo T F. Science, 2016, 353(6303): 1011.
[70]
Yu M Z, Zhou S, Wang Z Y, Zhao J J, Qiu J S. Nano Energy, 2018, 44: 181.
[71]
Xie X H, Chen S G, Ding W, Nie Y, Wei Z D. Chem. Commun., 2013, 49(86): 10112.
[72]
Cui C, Cheng R F, Zhang H, Zhang C, Ma Y H, Shi C, Fan B B, Wang H L, Wang X H. Adv. Funct. Mater., 2020, 30(47): 2000693.
[73]
Li N, Chen X Z, Ong W J, MacFarlane D R, Zhao X J, Cheetham A K, Sun C H. ACS Nano, 2017, 11(11): 10825.
[74]
Zhao Q, Zhang C, Hu R M, Du Z G, Gu J N, Cui Y, Chen X, Xu W J, Cheng Z J, Li S M, Li B, Liu Y F, Chen W H, Liu C T, Shang J X, Song L, Yang S B. ACS Nano, 2021, 15(3): 4927.
[75]
Zhang L Y, Jiang H C, Zhang J F, Huang Y F, Tian J W, Deng X W, Zhao X H, Zhang W L. Nanotechnology, 2020, 31(1): 015504.
[76]
Wang Y J, Wang J K, Han G K, Du C Y, Deng Q H, Gao Y Z, Yin G P, Song Y. Ceram. Int., 2019, 45(2): 2411.
[77]
Chen J M, Xia Y J, Dai Q Z. Electrochimica Acta, 2015, 165: 277.
[78]
Yang L M, Chen Z L, Cui D, Luo X B, Liang B, Yang L X, Liu T, Wang A J, Luo S L. Chem. Eng. J., 2019, 359: 894.
[79]
Li L X, Zhang G C, Sun W J, Zhang H Y, Wang S X, Wei J L, He J H, Song K, Lu J M. Chem. Eng. J., 2022, 433, Part 1: 134415.
[80]
Karahan H E, Goh K, Zhang C J, Yang E, Y?ld?r?m C, Chuah C Y, Ahunbay M G, Lee J, Tantekin-Ersolmaz B, Chen Y, Bae T H. Adv. Mater., 2020, 32(29): 1906697.
[81]
Ding L, Wei Y Y, Li L B, Zhang T, Wang H H, Xue J, Ding L X, Wang S Q, Caro J, Gogotsi Y. Nat. Commun., 2018, 9: 155.
[82]
Shen J, Liu G Z, Ji Y F, Liu Q, Cheng L, Guan K C, Zhang M C, Liu G P, Xiong J, Yang J, Jin W Q. Adv. Funct. Mater., 2018, 28(31): 1801511.
[83]
Fan Y Y, Wei L Y, Meng X X, Zhang W M, Yang N T, Jin Y, Wang X B, Zhao M W, Liu S M. J. Membr. Sci., 2019, 569: 117.
[84]
Xing Y D, Akonkwa G, Liu Z, Ye H Q, Han K. ACS Appl. Nano Mater., 2020, 3(2): 1526.
[85]
Xu Z, Liu G Z, Ye H, Jin W Q, Cui Z F. J. Membr. Sci., 2018, 563: 625.
[86]
Yang X J, Liu Y C, Hu S X, Yu F T, He Z Z, Zeng G Y, Feng Z H, Sengupta A. Polym. Adv. Technol., 2021, 32(3): 1000.
[87]
Li Z K, Wei Y Y, Gao X, Ding L, Lu Z, Deng J J, Yang X F, Caro J, Wang H H. Angew Chem-Int Edit, 2020, 59(24): 9751.
[88]
Chen W Y, Jiang X F, Lai S N, Peroulis D, Stanciu L. Nat. Commun., 2020, 11: 1302.
[89]
Kahn N, Lavie O, Paz M, Segev Y, Haick H. Nano Lett., 2015, 15(10): 7023.
[90]
Kearney D J, Hubbard T, Putnam D. Dig. Dis. Sci., 2002, 47(11): 2523.
[91]
Kim N H, Choi S J, Kim S J, Cho H J, Jang J S, Koo W T, Kim M, Kim I D. Sens. Actuat. B Chem., 2016, 224: 185.
[92]
Koo W T, Yu S, Choi S J, Jang J S, Cheong J Y, Kim I D. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9(9): 8201.
[93]
Kim S J, Koh H J, Ren C G, Kwon O, Maleski K, Cho S Y, Anasori B, Kim C K, Choi Y K, Kim J, Gogotsi Y, Jung H T. ACS Nano, 2018, 12(2): 986.
[94]
Jiang Q Q, Wang H J, Wei X Q, Wu Y, Gu W L, Hu L Y, Zhu C Z. Anal. Chimica Acta, 2020, 1119: 11.
[95]
Rasool K, Helal M, Ali A, Ren C G, Gogotsi Y, Mahmoud K A. ACS Nano, 2016, 10(3): 3674.
[96]
Wu F, Zheng H L, Wang W Z, Wu Q, Zhang Q, Guo J Y, Pu B Z, Shi X Y, Li J B, Chen X M, Hong W L. Sci. China Mater., 2021, 64(3): 748.
[97]
Zhou L, Zheng H, Liu Z X, Wang S Q, Liu Z, Chen F, Zhang H P, Kong J, Zhou F T, Zhang Q Y. ACS Nano, 2021, 15(2): 2468.
[98]
Nasr Esfahani A, Katbab A, Taeb A, Simon L, Pope M A. Eur. Polym. J., 2017, 95: 520.
[99]
Abbasi H, Antunes M, Velasco J I. Prog. Mater. Sci., 2019, 103: 319.
[100]
Kumar P, Narayan Maiti U, Sikdar A, Kumar Das T, Kumar A, Sudarsan V. Polym. Rev., 2019, 59(4): 687.
[101]
Cui G Z, Sun X D, Zhang G Y, Zhang Z, Liu H, Gu J, Gu G X. Mater. Lett., 2019, 252: 8.
[102]
Weng C X, Wang G R, Dai Z H, Pei Y M, Liu L Q, Zhang Z. Nanoscale, 2019, 11(47): 22804.
[103]
Liang L Y, Li Q M, Yan X, Feng Y Z, Wang Y M, Zhang H B, Zhou X P, Liu C T, Shen C Y, Xie X L. ACS Nano, 2021, 15(4): 6622.
[104]
Feng W L, Luo H, Zeng S F, Chen C, Deng L W, Tan Y Q, Zhou X S, Peng S M, Zhang H B. Mater. Chem. Front., 2018, 2(12): 2320.
[105]
Liang L Y, Han G J, Li Y, Zhao B, Zhou B, Feng Y Z, Ma J M, Wang Y M, Zhang R, Liu C T. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11(28): 25399.
[106]
Wang Y, Gao X, Zhang L J, Wu X M, Wang Q G, Luo C Y, Wu G L. Appl. Surf. Sci., 2019, 480: 830.
[107]
Iqbal A, Shahzad F, Hantanasirisakul K, Kim M K, Kwon J, Hong J, Kim H, Kim D, Gogotsi Y, Koo C M. Science, 2020, 369(6502): 446.
[108]
Shahzad F, Alhabeb M, Hatter C B, Anasori B, Man Hong S, Koo C M, Gogotsi Y. Science, 2016, 353(6304): 1137.

基金资助

国家自然科学基金项目(21908018)

国家自然科学基金项目(22078174)

山东省教育厅青年创新团队(2019KJD007)

大连理工大学精细化工重点实验室开放课题(KF2114)

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