ACS AMI：水性MXenes分散液的冷冻保存

  MXenes作为一类新兴的2D纳米材料，得益于其金属导电性，良好的溶液可加工性以及杰出的储能性能得到了日益增长的关注。MXene将2D导电碳化物层与亲水性结合在一起，主要是由于表面羟基的存在。截至目前，已经接近有30种MXenes被成功地合成，包括Ti₃C₂T_x，Ti₂CT_x和Nb₄C₃T_x等。在众多的MXenes中，Ti₃C₂T_x是研究最多的一种，因其在超级电容器中具有最高的电容（~1500 F cm^-3）以及杰出的金属导电性（~15000 S cm^-1）。尽管MXene具有很多优势，但其主要的局限性在于较差的抗氧化性，尤其是在纳米片在长时间暴露在含氧的水中，会快速地被氧化成TiO₂。氧化后的MXenes，电子导电性会大大降低，并且反应界面会发生钝化，从而降低了能量存储性能。因此，保持MXene纳米片的完整对于一些MXene水溶液的应用来说至关重要，如过滤膜，湿纺纤维，水凝胶/气凝胶的制备以及水系超级电容器。

最近，澳大利亚迪肯大学Joselito M. Razal教授在国际知名学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表题目为：Freezing Titanium Carbide (MXenes) Aqueous Dispersions for Ultra-long-term Storage 的研究论文，论文找到一种低温冷冻水性MXene分散液的方法，可以有效地防止在氧化的早期阶段的纳米片边缘形成TiO₂。与新合成的MXene相比，冷冻分散液中的Ti₃C₂T_x纳米片在650天以上的保存期限中，可以保持形貌和元素组成的一致。

图1. Ti₃C₂T_xMXene片在分散液中的氧化过程示意图。

图2. Ti₃C₂T_xMXene片的形貌与结构表征。

图3. 各相应电极的电化学性能测试。

图4. 不同条件下MXene的拉伸应变曲线；电压-电流响应；XRD；MXene膜界面SEM图像。

图5. 不同条件下MXenes的电化学性能测试。

在本文中，研究者们使用了一种通过冷冻保存Ti₃C₂T_xMXene水性分散液的方法，评估了水中MXene在水中的氧化过程与温度的关系。分析了新合成MXene，冷冻的MXene与在室温下保存的MXene分散液的形貌与性能，得出如下结论：TiO₂纳米颗粒在室温下第二天就会被氧化形成，然而冷冻分散液只有微弱的氧化发生。值得一提的是，冷冻干燥的MXene纳米片甚至在保存650天之后，依然会保持片状的形貌与物理特性，如电子电导性，机械性能与储能性能。这些结果证明了冷冻保存的MXene分散液是一种简单有效的方式，可用于长期保存MXene水系分散液。

文献链接：

DOI: 10.1021/acsami.0c06728