表面基团对Ti_(3)C_(2)T_(x)吸附NO性能影响的第一性原理研究

本工作基于密度泛函理论的第一性原理方法,构建了Ti_(3)C_(2)O_(2)、Ti_(3)C_(2)O1.5(OH)0.5、Ti_(3)C_(2)O(OH)、Ti_(3)C_(2)O1.5F0.5和Ti_(3)C_(2)OF五种模型,从几何结构、电荷转移以及电子性质等方面研究了基团种类和比例对Ti_(3)C_(2)T_(x)吸附NO的影响。结果表明:相较于Ti_(3)C_(2)O_(2),含低比例-OH和-F基团的Ti_(3)C_(2)T_(x)对NO的吸附能更大,电荷转移更弱,不利于其探测NO,与实验结果一致;但随着-OH和-F比例的提高,吸附能分别减小和增大,电荷转移分别增强和减弱,表明高比例的-OH有利于Ti_(3)C_(2)T_(x)探测NO,而高比例的-F是不利的;同时,在吸附NO后,Ti_(3)C_(2)O_(2)在费米能级附近的能带极值曲率变小,电子有效质量增大,表明-O基团有利于Ti_(3)C_(2)T_(x)探测NO。在几何弛豫过程中NO分子总是以N原子靠近衬底,吸附距离均较小,而且最近邻原子的电子轨道出现杂化,电子的聚集和消散位于两端,表明最近邻原子间成键较弱且偏离子性。此计算结果可以为Ti_(3)C_(2)T_(x)探测和屏蔽NO提供理论指导,同时为Ti_(3)C_(2)T_(x)的表面改性提供思路。

二维材料Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene对氨气的气敏性能

气体传感器在疾病诊断和环境监测等应用中受到了广泛关注,二维材料为制备室温下工作的气体传感器提供了一个很有前景的平台。利用HF溶液腐蚀Ti_(3)AlC_(2)粉末获得的原始Ti_(3)C_(2)T_(x)粉末和Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米片,利用扫描电子显微镜(SEM)图、X射线光电子能谱(XPS)和气敏特性分析,研究了Ti_(3)C_(2)T_(x)材料结构对氨气(NH_(3))气敏特性的影响。SEM结果表明,与原始Ti_(3)C_(2)T_(x)粉末相比,Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米片具有较薄的厚度,尺寸也较为均匀一致,且成膜性良好。气敏性能结果表明,Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米片传感器具有更高的灵敏度,对体积分数2×10^(-5)的NH_(3)的响应度提高了512.5%,且对NH_(3)表现出更低的检测下限(1×10^(-5))和良好的选择性,传感器实现了室温下对NH_(3)较高灵敏和较高稳定的检测。分析认为,Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米片高的比表面积、更多的表面活性附位点及较好的成膜性极大地提高了传感器对NH_(3)的气敏性能。该工作可为Ti_(3)C_(2)T_(x)基NH_(3)传感器件的开发提供一定的实验基础。

基于Ti_(3)C_(2)T_(x)材料在钠离子电池中的应用进展

MXene由于具有独特的层状结构、高电子导电性和丰富的表面化学特性,在储能、电磁干扰屏蔽、催化、医药等方面有广泛的应用前景。Ti_(3)C_(2)T_(x)作为最早发现的MXene材料,其固有的金属导电特征、宽层间距和丰富的表面官能团,引起了钠离子电池领域研究人员的关注。本文综述了近年来Ti_(3)C_(2)T_(x)基材料在钠离子电池中的研究进展。首先从Ti_(3)C_(2)T_(x)材料的制备展开,概述多层和少层两类Ti_(3)C_(2)T_(x)材料的结构与电化学特性。随后结合研究的应用趋势,总结两类Ti_(3)C_(2)T_(x)材料的层间距改性、掺杂改性、形貌调控等手段对其储钠行为的影响。同时也分析了两类Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合材料应用于钠离子电池负极的结构设计思路,指出合理的结构设计对电池性能至关重要。最后对Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合材料在钠离子电池领域中面临的问题和挑战提出了一些建议。

二维层状Ti_(3)C_(2)T_(x)⁃MXene@VS_(2)用于高性能锂离子电池负极

为探索一种高性能的锂离子电池负极材料,采用酸刻蚀法制备了高导电性、高稳定性的二维层状Ti_(3)C_(2)T_(x),通过溶剂热法制备了具有高理论比容量的花瓣状VS_(2)纳米片,再经过简单的液相混合得到了二维层状Ti_(3)C_(2)T_(x)⁃MXene@VS_(2)复合物。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、X射线衍射和能谱分析对复合材料的形貌和结构进行了表征,采用循环伏安、恒流充放电、长循环和交流阻抗谱对复合材料的电化学性能进行了研究。结果表明:VS_(2)纳米片均匀地分布在Ti_(3)C_(2)T_(x)的层间及表面,该复合物具有高的可逆容量(电流密度为0.1 A·g^(-1)时,比容量为610.5 mAh·g^(-1))、良好的倍率性能(电流密度为2 A·g^(-1)时,比容量为197.1 mAh·g^(-1))和良好的循环稳定性(电流密度为0.2 A·g^(-1)时,循环600圈后比容量为874.9 mAh·g^(-1);电流密度为2 A·g^(-1)时,循环1500圈后比容量为115.9 mAh·g^(-1))。

Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene制备及在超级电容器中的应用研究进展

二维材料(2D)MXenes因其具有高比表面积、高导电率、可溶液加工等特性,作为超级电容器电极材料受到广泛关注。本文中总结了基于HF和氟化盐的刻蚀、基于碱的刻蚀、电化学刻蚀、路易斯酸熔融盐刻蚀等几种Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene的制备方法,综述了真空辅助过滤、阳离子自组装、逐层组装工艺、印刷工艺、组装MXene气凝胶和水凝胶等Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene基电极材料的组装策略及其在超级电容器的应用。研究表明,不同制备方法和电极组装策略将会影响电极材料的结构和电化学性能。对Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene的制备方法和电极组装策略进行了对比总结,指出了研究中存在的问题,并展望了MXene今后的研究方向。

二维层状Ti_(3)C_(2)T_(x)的制备方法及其摩擦学应用研究进展

二维层状材料不仅具有极高的承载能力,并且凭借其超薄的厚度在摩擦过程能较容易地进入摩擦接触区。因此,它们在减少摩擦和磨损方面具有巨大的研究和应用潜力。Mxenes作为一种类似于石墨烯的二维层状材料,具有独特的结构和丰富的官能团,其中Ti_(3)C_(2)T_(x)Mxenes因低层间剪切阻力、高比表面积、良好的分散性等优点而被广泛用作润滑添加剂。本文主要介绍了二维层状Ti_(3)C_(2)T_(x)的主要制备方法,包括“自上而下”和“自下而上”两种制备路线。同时对二维Ti_(3)C_(2)T_(x)作为液体润滑剂添加剂、固体润滑涂层添加剂、复合材料增强相的摩擦学应用及效果进行综述,并对其润滑机制进行了探讨。进一步对二维Ti_(3)C_(2)T_(x)的制备技术的发展和其作为新型润滑材料的应用前景作出展望。

Ti_(3)C_(2)T_(x)/Ni/TiO_(2)复合粉体的制备及吸波性能研究

采用热处理的方法制备出二维层状Ti_(3)C_(2)T_(x)/Ni/TiO_(2)复合粉体,并利用TG-DSC、SEM、XRD和XPS对样品进行表征分析,通过矢量网络分析仪测试样品的电磁参数并模拟计算不同涂层厚度下样品的反射损耗值(RL)。结果表明:随着热处理温度的升高,样品中TiO2质量含量增加;当热处理温度为300℃时,在频率f=17.5 GHz下样品的RL为-35.2 dB,其有效吸波带宽超过1.7 GHz,对应的涂层厚度为4 mm。其优异的吸波性能一方面来自良好的阻抗匹配,另外一方面来自样品的介电损耗、磁损耗的协同效应。此外,样品的电磁波吸收能力可以通过其组分和微观结构进行调控。

棉基Ti_(3)C_(2)T_(x)油水分离膜的制备及其性能

为了开发工艺简单、可重复使用、油水分离效率高的棉基油水分离材料,以实现废旧棉织物的低能耗高附加值利用,通过超声波喷涂的方式将具有亲水性的柔性二维过渡金属碳/氮化物(MXene)纳米片施加于棉织物上,借助离子液体对棉纤维的溶胀作用以增加棉织物表面的粗糙度,进一步提高MXene在棉织物上的固载率,制备棉基MXene油水分离膜。借助扫描电镜和接触角测试仪等分析油水分离膜的表面形貌和润湿性能。对棉基MXene油水分离膜的油水分离效率、膜通量、耐酸碱性和可循环使用性进行了测试。结果表明:以棉织物为基体的MXene油水分离膜的分离效率最高,可达99.1%;10次重复实验后仍具有98.6%的分离效率;在pH值为1~13的范围内分离效率无明显变化,空气中水接触角为30°,保持了原棉织物80.1%的强力。

甲壳素/Ti_(3)C_(2)T_(x)复合材料的制备及其电化学性能

以MAX相Ti_(3)AlC_(2)为前驱体,经选择性刻蚀后制得Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene基体,采用一种简单的机械复合法合成了甲壳素/Ti_(3)C_(2)T_(x)复合材料。利用XRD、SEM等技术对复合材料进行了表征,并测试了其电化学性能。结果表明:甲壳素的加入可以促进复合薄膜层间距的增大,甲壳素溶液与Ti_(3)C_(2)T_(x)溶液的最佳质量比为4∶6;刻蚀后Ti_(3)C_(2)T_(x)具有独特的多层手风琴结构,复合薄膜表面也没有明显甲壳素晶体结构;复合材料作为锂金属电池负极材料具备优异的电化学可逆性和容量保持率,在1 mA/cm^(2)电流密度下循环300次后库伦效率为98.3%,平均放电比容量达到760 mAh/cm^(2)。

Rh/Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene催化剂用于氨硼烷催化产氢

二维过渡金属碳/氮化合物基(MXene)催化剂对于水解产氢反应具有优异的催化活性.以二维过渡金属碳化钛(Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene)材料为载体,采用原位还原法,制备了超高分散度的二维Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene材料担载的金属铑(Rh)催化剂(Rh/Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene).利用单层二维Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene材料高度暴露的表面,实现了Rh亚纳米团簇的高度分散.在常压的温和条件下,将制得的Rh/Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene催化剂用于氨硼烷的常温分解.在35℃,0.1 MPa的条件下,氨硼烷可以在3 min内完全实现氢气(H_(2))的释放.催化剂的结构表征证明:Rh亚纳米团簇的平均尺寸约为0.66 nm.构效关系研究表明:二维Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene载体表面高度暴露的碳钛键(C-Ti)结构可以起到锚定和高度分散Rh亚纳米团簇的作用.

通过循环伏安法对不同刻蚀Ti_(3)C_(2)T_(x)方法的探究

研究了同一条件下不同刻蚀方法对Ti_(3)C_(2)T_(x)材料电性能的影响,并且使用循环伏安法,对通过新型刻蚀方法得到的复合材料与传统刻蚀方法得到的复合材料电性能进行测试,比较不同刻蚀方法对二维材料性能的影响。新型刻蚀方法解决了传统刻蚀手段高浓度HF带来的环境危害及对材料本身性能的阻碍。

基于α-Al_(2)O_(3)载体管的新型MXene膜异丙醇脱水性能

二维过渡金属碳(氮)化合物MXene(Ti_(3)C_(2)T_(x))因其亲水性且层间距可调在膜分离领域得到了广泛关注,但层流状MXene膜易从基底上剥离,因而选取合适的基底材料并增加MXene膜与基底材料的黏附性是其工业应用的关键。以大孔α-Al_(2)O_(3)陶瓷管为载体,采用α-Al_(2)O_(3)颗粒和SiO_(2)-ZrO_(2)溶胶对其进行修饰,通过自交联反应制备得到MXene渗透汽化分离膜材料。探究了Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米片负载量、异丙醇浓度、运行温度对MXene膜在异丙醇/水体系中渗透汽化分离性能的影响。结果表明:MXene纳米片形成的层状结构有利于阻隔大直径的异丙醇分子通过层间孔道,当MXene纳米片负载量为1.97mg/cm^(2)时,MXene膜在55℃对质量分数为90%的异丙醇/水溶液表现出较高的脱水性能,其渗透侧含水率为95.51%,通量可达485.13g/(m^(2)·h)。基于大孔α-Al_(2)O_(3)载体管的新型MXene膜结构稳定,分离性能良好,在渗透汽化有机溶剂脱水方面具有广阔的应用前景。

N-TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)复合材料的原位合成及其光催化性能

以钛碳化铝、氢氟酸、氟硼酸钠为原料,尿素为氮源,通过简单的溶剂热反应,在高导电性的Ti_(3)C_(2)MXenes(二维过渡金属碳化钛)纳米片上原位生长氮元素掺杂的TiO_(2)纳米片,合成了二维N-TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)复合材料。采用XRD、SEM、TEM、XPS、UV-Vis DRS、PL对其进行了结构表征。结果表明,在可见光照射下,N-TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)复合材料对罗丹明B(Rh B)的降解速率是纯TiO_(2)的6.94倍,在150 min内,Rh B降解率达到96.3%。N-TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)复合材料较好的光催化降解性能主要归因于氮元素的掺杂缩小了TiO_(2)的带隙,将光响应范围扩展到可见光区域。同时,TiO_(2)纳米片的原位生长使其与具有优异电导率的Ti_(3)C_(2)MXenes纳米片形成了紧密的接触界面,促进了光生载流子的分离和迁移。·O_(2)和·OH是N-TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)复合材料光催化降解Rh B的主要活性物种。此外,该复合材料具有良好的稳定性和可重复利用性。

二维材料MXenes稳定性研究进展

MXenes是一类新型的过渡金属碳化物二维材料的统称,通常使用化学液相法刻蚀MAX相中的“A”层原子,并经过一定的处理工艺将其剥离得到单层或少层MXenes二维材料。但MXenes的稳定性较差,环境中的氧气很容易使MXenes氧化而使其各方面性能下降,限制其应用。概括MXenes的制备和分层方法,并重点总结了MXenes稳定性相关的研究进展,明确了通过改善存储环境、添加抗氧化剂及硅烷化修饰等处理方法均能有效地抑制MXenes的氧化,从而为不同领域的应用提供性能稳定的MXenes材料。

Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene材料的制备、组装及应用研究进展

Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene是具有高导电性、较好的力学性能及高比电容等特性的新型二维结构过渡金属碳化物,在储能、传感、催化、膜分离、微波吸收及电磁屏蔽等领域具有巨大的应用前景。但单层二维材料在纳米尺度上的性能不易真正被人们所用,因此必须将其组装成宏观材料,如一维纤维、二维薄膜及三维气凝胶。对于Ti_(3)C_(2)T_(x)的宏观组装及其应用研究也取得了一定的成果与进展。本文综合评述了目前Ti_(3)C_(2)T_(x)的制备方法、宏观Ti_(3)C_(2)T_(x)基材料的组装方法及其相关应用进展,介绍了国内外Ti_(3)C_(2)T_(x)的研究现状和实际应用中的研究成果,总结了Ti_(3)C_(2)T_(x)在制备、组装及应用过程中的不足,并展望了未来的发展趋势。

Ni@Ti_(3)C_(2)复合材料制备及其吸波性能研究

采用一步水热法在Ti_(3)C_(2)层间插入磁性镍颗粒制备Ni@Ti_(3)C_(2)复合材料,通过改变镍颗粒与Ti_(3)C_(2)的质量比,制备了3种具有多重损耗机制的电磁波吸收材料,研究了2~18 GHz频率范围内材料的电磁参数和吸波性能。实验结果证明,镍颗粒的引入可改善Ti_(3)C_(2)的阻抗匹配并提升其吸波性能。20%质量分数Ni@Ti_(3)C_(2)/石蜡复合吸波材料在厚度为4.5 mm时有效吸收带宽达到5.2 GHz(对应频率范围为12.2~17.4 GHz),在14.4 GHz频率下最小反射损耗为-40.16 dB。研究表明,Ni@Ti_(3)C_(2)复合材料有望成为一种轻薄、高性能的吸波材料。

浸润时间对Ti_(3)C_(2)T_(x)薄膜离子传输性能的影响

在二维材料中,过渡金属碳化物MXene因其表面丰富的官能团,优异的电学性质以及表面可修饰的特点在能量存储、水净化领域均受到广泛的关注。通过离子预插层进行薄膜离子传输性能改善是较为便捷且成本较低的薄膜改性方法,而使用MgCl_(2)溶液浸润法进行离子预插层时,浸润时间对薄膜传输性能以及表面状态的影响尚未深入探究。通过使用H型管对不同浸润时间的Ti_(3)C_(2)T_(x)薄膜的离子传输性能进行了测试,发现浸润时间在超过1h后,继续浸润对离子传输性能提高有限,得到通过浸润法进行预插层的最佳时间为1h。

MXene的制备与应用

近年来,二维材料因具有独特的性质受到人们的广泛关注。新型二维材料MXene,具有优异的导电性、比电容、比表面积,更重要的是表面存在一些特征官能团,使其在超级电容器、催化、吸附、气体传感器和复合材料等领域中得到越来越广泛的应用。本文着重阐释了MXene中最具代表的Ti_(3)C_(2)的制备方法:氢氟酸蚀刻、盐酸和氟化盐混合溶液蚀刻、熔融盐蚀刻,以及它们在吸波材料、储能材料、吸附材料等领域的应用。