ACS Nano：高浓度MXene有机分散液

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。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。

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。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。

该成果在线发表于国际顶级期刊ACS Nano(影响因子14.588)上，题目为：High Concentration of Ti₃C₂T_x MXene inOrganic Solvent。张庆萧为本文第一作者。

图1. 高浓度MXene有机溶剂材料的制备示意图。

图2. 高浓度MXene有机溶剂材料的制备方案和不同溶剂中Ti₃C₂T_x纳米片的SEM图像。更为详细的制备方案可以在本文的实验部分找到（包括改进后的MILD法制备方案）

图3.合成的分散在(a) PC，(b) DMAc，(c) DMF的二维Ti₃C₂T_x的AFM图像。

图4.不同溶剂的MXene分散液制备的自支撑膜。

图5.超高浓度的MXene有机溶剂分散液。

图6.相同浓度下TMM法制备的MXene有机溶剂分散液与MILD法制备的水溶液的氧化稳定性测试。文章中也给出了详细的TMM法和作者优化后的MILD法的制备方案。本文详细探讨了同一浓度条件下MXene的氧化稳定性，这是之前大部分文章没有提及的。如图，可以清晰直观的发现，MXene在有机溶剂中的分散度具有明显的抗氧化性。

图7. MXene和有机溶剂的参数拟合。

图8.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7-8的最终结果表明：1，少量TBA⁺的修饰和对Ti₃C₂T_x表面的改性使得MXene的亲疏水性发生了变化。2，经过计算， Ti₃C₂T_x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。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。

图9. 高浓度MXene有机溶剂分散液的应用潜力—湿法纺丝。除此之外，高浓度MXene有机溶剂分散液还可以广泛应用于3D打印、静电纺丝、复合材料等领域，特别是一些对水敏感的领域。

图10. TMM法制备的其他MXene的有机溶剂分散液的拓展。Nb₂CT_x。

图11. TMM法制备的其他MXene的有机溶剂分散液的拓展。Nb₄C₃T_x，注：Nb₄C₃T_x在高分辨TEM的强烈的光束刺激下，剧烈的发生氧化。

图12. TMM法制备的其他MXene的有机溶剂分散液的拓展。Mo₂Ti₂C₃Tx，双金属MXene也可以使用TMM法完美的分散到有机溶剂中。

TMM法可以广泛适用于各种MXene材料的制备，易于推广。

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Ti₃C₂T_x纳米片表面清洁，厚度均匀，具有较大的尺寸。该方案可以制备浓度大于90 mg/ml的有机溶剂分散液，大大提高了MXene有机溶剂中的分散度。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Ti₃C₂T_x表面的改性使得MXene的亲疏水性发生了变化。2，经过计算， T_i3C₂T_x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。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Ti₃C₂T_x原料。剥离得到的Ti₃C₂T_x纳米片表面清洁，厚度均匀，具有较大的尺寸。Ti₃C₂T_xMXene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。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。

文献链接：

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