金属辅助电凝胶法制备具有可控图案的多孔MXene

背景

自2011年发现以来，过渡金属碳化物或氮化物(MXenes)因其独特的性质而引起了极大的关注。将2D MXene片组装成3D多孔结构能够带来更多的活性位点和更大的比表面积，这使得基于多孔MXene的器件在各种应用领域具有更先进的性能。尽管形成多孔MXene的方法很多，但仍需要能够对多孔MXene进行图案化的策略，以使其能够与多功能和多通道电子器件进行集成。

全文导读

鉴于此，提出了一种金属辅助电凝胶化方法，可以直接生成具有可调控多孔结构的MXene水凝胶。通过电解牺牲金属所释放的金属阳离子来启动电凝胶化过程。利用该方法实现了低至微米级的高空间分辨率，从而实现了具有更复杂结构的高性能水凝胶。通过这种金属辅助电凝胶化过程制备的多孔MXene，显示出在能源和生化传感器领域的应用前景。该材料应用于超级电容器时具有33.3 mF cm-2的电容，在生化传感器应用中显示出对代谢物的显著电流响应，表明金属辅助电凝胶法将成为制备基于MXene的器件的前瞻性技术。相关论文成果以“Controllable Patterning of Porous MXene (Ti3C2) by Metal-Assisted Electro-Gelation Method”为题发表在Advanced Functional Materials上。

图表示在铜的辅助下制备多孔Ti3C2 MXene水凝胶的过程。多孔Ti3C2 MXene的电凝胶化过程包含三个步骤：1)在印刷电路板(PCB)上设计图案；2)将Cu电沉积到Au焊盘上；3)加入Ti3C2 MXene悬浮液以完成电凝胶化过程。该方法的可控性不仅为实现更复杂的水凝胶图案化奠定了基础，而且拓宽了Ti3C2水凝胶的应用场景。

图1：具有可控图案的多孔Ti3C2 MXene水凝胶的制备。

下图为用于电凝胶化过程的电化学电池的示意图。在施加电位或电流偏置后，铜阳离子会随着牺牲铜的消耗而在工作电极周围产生，与MXene片局部相互作用以产生多孔状水凝胶。与Ti3C2薄膜相比，多孔Ti3C2的层间距更大，从而有效地消除了MXene片之间的重新堆叠现象。

图2：多孔Ti3C2 MXene的3D组装机理研究。

下图展示了一些可能的图案化器件方案，如微电极阵列、网状传感器或在PCB上制造的叉指电极。此外，电凝胶化工艺还可以应用于制备更先进的Ti3C2 MXene 3D水凝胶块。

图3：使用电凝胶法对图案分辨率的探索。

下图展示了基于多功能多孔MXene水凝胶修饰的器件应用于人体健康监测方面的示意图。该器件在2至16 mA cm-2的不同电流密度下显示出良好的线性电位-时间曲线。计算出的面积电容高达33.3 mF cm-2，并且在1000次充放电循环后容量保持率超过80%。

展望

提出了一种使用金属辅助电凝胶化方法，用于制备具有可控图案的多孔MXene水凝胶。所提出的方法不仅解决了目前多孔MXene水凝胶不能直接图案化的问题，并且为将多孔MXene修饰到各种器件上提供了一种新的思路。空间和分辨率可控性的显著特征证明了该方法的巨大优势，可实现低至微米级的最小水凝胶图案分辨率。通过这种方法制备的超级电容器和生化传感器分别显示出良好的能量存储和检测性能，为将该方法扩展到多种其他基于多孔MXene的设备提供了有力的支持。

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