​MXene限域离子通道的光电响应

随着纳米制造技术的最新进展和对生物启发的智能纳米通道的兴趣日益浓厚，人造纳米通道的设计和制造取得了重大进展。在各种类型的生物离子通道中，热敏瞬态受体电位（thermoTRP）阳离子通道已在诸如仿生温度计以及热能转换和收集等纳米流体应用中引起了人们的极大关注。
最近，具有限域孔隙和大量表面电荷的固有纳米通道揭示了它们在各种外部刺激反应性离子传感系统中的潜在应用。当纳米通道的受限空间小到与德拜屏蔽长度相当时，可以在纳米限域通道内建立一个主要由表面电荷和反离子组成的双电层（EDL），从而可以在受外部刺激响应时进行选择性电荷离子传输。特别地，在由温度或盐浓度驱动的化学势下，这种电荷选择性离子传输可以用作产生电势的驱动力。

着眼于多层二维（2D）纳米片组成的纳米多孔薄片结构，本篇文章探索了金属碳化物和氮化物（MXene）层状膜的阳离子通道，以寻求模仿thermoTRP通道的热敏过程。在本篇文章中，结合MXene材料固有的光热转换性能，研究了基于MXene通道在光驱动加热产生的温度梯度下的离子传输。即使在低于1 K的微小温差下，MXene通道也具有非常敏感的热电响应。发现这种非等温电压随着通道阳离子渗透选择性的增加而增强，这与渗透液的离子浓度或pH有关。此外，MXene离子通道在光照下显示出对温度变化的稳定且可逆的响应。

图1.光热响应离子通道。(a)在光照下跨层状Ti3C2Tx膜产生横向光热电压。在光驱动的温度梯度下，水合阳离子和水分子显示出从冷侧到热侧的定向热渗透传输。(b)层状Ti3C2Tx的X射线衍射面间距。插图分别为MXene膜的光学图像和其横截面的SEM图像。(c)光照下MXene膜的光热转化。向MXene膜提供约为8mW光照。插图分别显示了干燥的MXene和醋酸纤维素薄膜的漫反射率。

图2.阳离子选择性离子传输。(a)实验装置示意图。PDMS封装的MXene层状膜提供了一系列MXene阳离子通道，同时避免了可能的热蒸发效应。插图中显示了等效电路图。(b)表面电荷控制的离子传输。插图显示了不同KCl浓度下的I-V曲线。(c)中性pH盐度浓度梯度下的I-V曲线。(d)通过不同盐浓度梯度下的开路电压和短路电流评估的通过MXene通道的阳离子转移数和最大渗透功率密度。

图3.光控制的光热离子响应。(a)实验装置示意图。MXene离子通道显示出从未照射面到照射面的热渗透离子流。(b)位置1照射下随时间变化的温度梯度和光热电压。每种光强度下光照60 s。(c)温度梯度随光强度增加而增加。插图显示在127 mW·cm –2的光照下位置1和2随时间的温度变化。(d)不同照射位置下光强度升高时的光热电压。插图显示根据光热电压计算的离子塞贝克系数，与照射位置无关。

图4.电解质调控的光热离子响应。(a)KCl浓度依赖性的光热电响应。(b,c)光热电响应及其在KCl浓度梯度下的周期性稳定性。

相关文献：Photothermoelectric Response ofTi3C2Tx MXene Confined Ion Channels. ACS Nano 2020, 14, 9042−9049

信息来源:纳米功能材料

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