华南师大Adv. Funct. Mater.综述:具有光热转换性能的二维MXene纳米材料：合成、机理及应用

我亦是行人 5年前 (2020-05-05) 37852浏览

【背景介绍】

过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物（通常称为MXenes）是自2011年YuryGogotsi等发现碳化钛（Ti₃C₂T_x）以来的一类新型二维材料。这些材料的一般公式为M_n+1X_nT_x（n=1、2或3），其中M是早期过渡金属，X是碳和/或氮，T是从合成过程中继承的表面基团，通常为-OH、-O和-F。MXenes通常由三元碳化物或氮化物的MAX相选择性地刻蚀A原子层制得，其中A主要是IIIA族和IVA族元素。迄今为止报道的MAX相有70多种，目前20多种基于Ti、V、Nb、Mo、Ta和Zr等的MXenes被成功合成。这种化学和结构上的多功能性使得MXenes在高导电性、大表面积等方面具有与石墨烯等其它二维纳米材料的竞争优势，在多种应用领域特别是在电池、超级电容器和催化等能量转换和储能领域有着广阔的应用前景。

最近，MXenes被证明具有独特的光热转换特性。光热转换是一种原始而直接的获取和利用太阳能的手段，其中入射光能被光热材料吸收后转化为热能以供进一步利用。引入的热量可以提高体系温度，这通常会增加化学反应的熵，加速电子转移的热力学和动力学，从而提高宏观反应速率。此外，太阳能是地球上取之不尽、用之不竭、低成本、清洁的能源，开发太阳能利用可以缓解传统化石燃料过度使用带来的能源危机威胁，有利于形成绿色可持续的能源体系。光热转换特性使得MXenes将太阳光谱响应扩展到近红外（NIR）区域，能够有效吸收和利用太阳光，从而激发了其在温度起主导作用的领域中的应用。例如，MXenes可用于光热治疗，在光照下肿瘤部位的温度升高，能够精确地消除癌细胞而不会影响周围健康组织。已有大量的研究报道MXenes的光热转换效应，然而对于它们如何用作光热应用的光吸收剂，人们的理解是有限的。

【成果简介】

最近，Adv. Funct. Mater.在线刊登了华南师范大学环境学院李来胜教授和王静副研究员等撰写的题为“Insights into the Photothermal Conversion of 2D MXene Nanomaterials: Synthesis, Mechanism, and Applications”的综述文章，胥丁心和李志东为共同第一作者。在这篇综述中，作者综述了近年来MXenes光热转换的研究进展，对其光热转化机理和应用作了较全面的总结。首先，作者简要总结了MXenes及其纳米复合材料的合成策略，随后对其光热转化机理进行了讨论，最后对光热应用的最新进展进行了总结。

【图文解读】

1、引言

图一、2D MXenes光热转换原理图

2、MXenes及其纳米复合材料的合成

MXenes是通过从对应的MAX相选择性蚀刻A原子获得的二维层状材料。由于M-A键具有较高的化学活性，因此比M-X键更容易断裂，从而使刻蚀过程成为可能。蚀刻的MXenes呈现松散堆积的手风琴状结构，主要通过氢键或范德华力连接，通常称为多层MXene（m-MXene）。经剥离后，m-MXene层间相互作用被削弱，形成具有单层或几层类似于石墨烯结构的二维超薄纳米片，称为分层MXene（d-MXene）。此外，MXene也可以通过表面改性或与其他材料杂化来进一步实现功能化，以获得物化性质更优异的纳米复合材料。

2.1、刻蚀和分层

图二

（a）MAX相剥离制备二维MXene的示意图；

（b）m-Ti₃AlC₂-MXene的SEM图；

（c）d-Ti₃AlC₂-MXene的TEM图；

（d）Pt/e-TAC催化剂的结构示意图；

（e）DMSO剥离后Ti₂NT_x-MXene的低倍和高倍TEM图像；

（g-i）从Ti₃AlC₂制备Ti₃C₂T_x的两种方法及其自的SEM图像。

2.2、表面修饰

图三

（a）M₃X₂T_x结构的侧视图和顶视图示意图，显示各种M原子及其表面官能团；

（c）Ti₃C₂T_x-MXenes退火后的表面改性；

（d）Ti₃C₂T_x-MXenes退火前后的O 1s光谱；

（e）Ti₃C₂纳米复合材料制备示意图；

（f）刻蚀过程中添加或不添加Al³⁺的Ti₃C₂纳米片的紫外-可见吸收光谱。

2.3、纳米复合材料的杂化

图四

（a）左：Bi₂WO₆和Ti₃C₂的能级结构图。右图：杂化材料界面的光诱导电子转移过程；

（b）二维/二维Ti₃C₂/Bi₂WO₆纳米片的TEM图；

（c）多孔rGO/Ti₃C₂T_x薄膜制备工艺示意图；

（d）rGO/Ti₃C₂T_x薄膜横截面SEM图；

（e）Ti₃C₂T_x/多壁碳纳米管纸的截面扫描电镜图像；

（f）PEG/Ti₃C₂T_x复合材料的合成路线图；

（g，h）PEG（85%）/Ti₃C₂T_x复合材料的TEM纵断面图像。

2、光热转换机制

由于光热材料对电磁辐射（太阳光）的响应不同，因而光热转换机制也有所不同，，主要与它们固有的�