Ti_(3)C_(2)T_(x)/Fe_(3)O_(4)纳米复合材料的吸波和电磁屏蔽性能与机制

在电磁屏蔽领域,铁氧体是常用的涂覆型吸波剂,但以Fe_(3)O_(4)为首的铁氧体存在一些不足。本研究采用冷冻干燥的方法成功制备了花苞状Ti_(3)C_(2)T_(x)/Fe_(3)O_(4)复合材料,Ti_(3)C_(2)T_(x)/Fe_(3)O_(4)复合材料的花苞状结构对电磁波的多重反射、界面极化和电磁耦合作用等使复合材料具有更好的微波吸收性能。当频率为6.74 GHz时,最小反射损耗达到-51.41 dB,对应的匹配厚度为2.8 mm,这意味着它可以吸收99.99928%的电磁波。本研究中特殊的花苞状Ti_(3)C_(2)T_(x)/Fe_(3)O_(4)复合材料表现出优异的吸波性能,在电磁屏蔽领域具有良好的应用前景。

Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene基复合材料驱动器的制备及研究进展

驱动器具备质轻、柔软、微小、智能化等特点,能够通过感受外界刺激如光、电、温度、湿度等产生相应的力、位移或形变,在软机器人、智能穿戴设备、仿生工程等领域具备巨大的应用潜力。然而,驱动器也存在着响应灵敏性和稳定性方面的缺陷。MXene具有高导电性、表面官能团可调性和优越的力学性能,有望成为解决上述问题的关键。目前,MXene材料主要面临易氧化和相对较高的生产成本等挑战,相关研究处于早期阶段,需要进一步验证其实际应用潜力。因此,本文介绍了MXene及MXene基驱动器的制备方法,并梳理光热响应型驱动器、离子响应型驱动器、湿度响应型驱动器及其他响应型驱动器的研究进展,同时对MXene基驱动器未来的研究方向进行了展望。

Ti_(3)C_(2)T_(x)/rGO复合纤维的电化学性能研究

为了解决Ti_(3)C_(2)T_(x)层间相互作用力不足的问题,制备具有优良电化学性能的电极材料,本文以二维片层结构的碳化钛(Ti_(3)C_(2)T_(x))和氧化石墨烯(GO)作为原料,采用湿法纺丝技术合成Ti_(3)C_(2)T_(x)/GO纤维,再化学还原制备Ti_(3)C_(2)T_(x)/还原氧化石墨烯(Ti_(3)C_(2)T_(x)/rGO)复合纤维,利用场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜和多功能X射线光电子能谱仪对原料及Ti_(3)C_(2)T_(x)/rGO复合纤维进行表征,并测试其电化学性能。结果表明:当纺丝液注射速度为5 mL/h,凝固浴为乙酸,采用22 G针头时,纺制出的复合纤维具有较好的连续性,纺丝效果最好。当Ti_(3)C_(2)T_(x)与GO的质量比为2∶8时,复合纤维表现出最好的电化学性能,在1 A/cm^(3)电流密度下,体积与电容的比达到426.15 F/cm^(3),1000圈循环后电容保持率达59%以上。Ti_(3)C_(2)T_(x)和rGO之间的协同效应和纤维内部褶皱结构为Ti_(3)C_(2)T_(x)/rGO复合纤维提供了良好的电化学性能和传输特性。本试验制备的复合纤维可为高性能电极材料的设计提供理论指导。

超级电容器电极用Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合材料的研究进展

碳化钛(Ti_(3)C_(2)T_(x))作为一种MXene材料,具有独特的结构和优良的导电性、稳定性以及优越的电化学性能,常被用作超级电容器电极材料。本文结合碳化钛(Ti_(3)C_(2)T_(x))材料层状结构的特性,梳理了超级电容器电极用Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合材料的研究进展,重点阐述了Ti_(3)C_(2)T_(x)材料的结构、性能、制备以及通过不同技术手段与多类材料复合后的电化学性能;归纳了Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合材料性能提升的原因,包括增大层间距、提供更多活性位点、提高坚韧性等;最后指出Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合材料的未来研究重点,如探究新的基体母相、丰富刻蚀方法、改进现有复合材料、探究更多更高效的复合材料等。

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。

二维Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene基复合材料在柔性传感器领域的研究进展

Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene是一种新型层状二维材料,具备良好的亲水性、导电性、稳定性和机械性能,在柔性传感器领域备受关注。然而,由于Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene的自堆积问题,导致表面活性位点减少,粒子的快速传输受到限制,需要对其进行改性和优化。综述了近年来二维Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合材料在柔性传感器领域的研究进展,通过与碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物等复合,Ti_(3)C_(2)T_(x)的机械性能与电化学性能能够显著提升,可以更好地应用于柔性传感器领域。

用于NO_(2)室温检测的ZnO/Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米复合材料气体传感器

通过种子层诱导自组装的方式合成了ZnO/Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米复合材料,并对其结构和微观形貌进行分析。结果显示,与ZnO气体传感器相比,ZnO/Ti_(3)C_(2)T_(x)气体传感器在对10^(-5)NO_(2)响应度变化不大的情况下,工作温度大幅度降低,实现了室温检测;并对其可能的气敏机理进行了深入分析。实验工作表明了ZnO/Ti_(3)C_(2)T_(x)气体传感器在NO_(2)的室温检测中具有潜在的应用价值。

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。

TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x)复合材料的制备及其杂化电容脱盐特性的研究

人口的快速增长和工业经济迅猛发展导致全球淡水资源短缺,对海水和苦咸水进行淡化是解决淡水资源短缺的有效方法。本工作通过直接煅烧Ti_(3)C_(2)T_(x)制备了TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x)复合材料,并研究了基于TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x)复合电极的杂化电容脱盐特性(Hybrid capacitive deionization,HCDI)。研究表明,煅烧温度对TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x)的形貌、结构、电化学和脱盐特性有重要影响。以优化后的TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x)作为负极,酸化活性炭(Active carbon,AC)为正极,构筑了HCDI装置。在恒压模式下,当工作电压为1.2 V时,TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x)‖AC在初始电导率为3000μS·cm^(-1)的NaCl溶液中的脱盐容量达到23.8 mg·g^(-1)。经过20个循环后容量保持率为78%。此外,通过研究TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x)复合电极脱盐前后的形貌和晶相发现在脱盐过程中钠离子嵌入到Ti_(3)C_(2)T_(x)的层间。

在Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene上原位生长2D TiO_(2)纳米片的异质结构用于改善电催化氮气还原

氨作为一种必不可少的活性氮源,在聚合物、纺织工业、工业制造和农业种植中发挥了至关重要的作用.目前,大规模的氨合成主要依靠传统Haber-Bosch法,但该工艺能耗高且造对环境有危害,如排放大量的二氧化碳.电催化氮还原合成氨被认为是传统Haber-Bosch法的潜在替代技术,该技术可以在环境条件下进行且使用可再生的氮气和水为原料.贵金属表现出优异的电催化氮还原活性,但高成本和低丰度限制了它们的广泛应用.最近,氮还原电催化剂的研究已转向廉价且丰富的过渡金属基材料.MXene是一种新兴的过渡金属碳/氮/碳氮化合物衍生的二维层状材料,其化学式可记为M_(n+1)X_(n)T_(x)(n=1,2或3),其中“M”代表过渡金属(如V,Ta,Mo,Ti,Nb),“X”代表N或C或CN,“T_(x)”代表表面官能团(如–O,–F和–OH).其中,Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene由于独特的层状结构、较好的导电性和稳定性,而被理论计算和实验结果证明是一种很有前景的氮还原催化剂.然而,Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene电催化合成氨的产率及选择性仍需进一步提高.MXene的层状结构容易堆叠,降低了比表面积,影响了层间离子的扩散,导致电化学性能下降.减少层堆叠的一种有效方法是与其他材料复合.Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene表面的边缘钛原子可以作为成核位点生成相对稳定的二氧化钛,从而很容易生成TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene异质结结构.本文提出了在Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene上原位生长TiO_(2)纳米片,形成具有丰富活性位点的TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene复合材料,以有效地实现电催化氨合成.复合材料中,高导电性的Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene可以促进电子转移,同时,原位生成的TiO_(2)纳米片不仅可以避免Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene的堆积,还可以提高Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene的表面积.在电催化氮还原实验中,TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene催化剂的产氨率为44.17µg h^(-1) mg^(-1) cat.(–0.95 V vs.RHE),法拉第效率为44.68%(–0.75 V vs.RHE),并表现出很强的电化学稳定性.15N同位素标记实验结果表明,生成物氨中的氮来自于氮气的电解还原.理论计算表明,Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene上负载的TiO_(2)纳米片由于其更强的吸附性和更低的反应能垒而有效地增强了氮还原性能.综上,本文为开发高活性的新型氮还原电催化剂开辟了一条新途径.

光热响应型Ti_(3)C_(2)T_(x)/环氧树脂形状记忆复合材料的制备及性能分析

为改善形状记忆环氧树脂(EP)的力学性能并丰富其驱动形式,以形状记忆EP为基体,Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米材料为填料,通过溶液共混和热压成型法制备光热响应型Ti_(3)C_(2)T_(x)/EP形状记忆复合材料。系统探讨Ti_(3)C_(2)T_(x)对EP的形貌、结构、力学性能、热力学性能、光热转换性能以及光热响应形状记忆性能的影响。结果表明:层状结构Ti_(3)C_(2)T_(x)的加入会显著提高EP的力学性能,相比纯EP,Ti_(3)C_(2)T_(x)含量为2.0%(按质量分数计)的Ti_(3)C_(2)T_(x)/EP复合材料的拉伸强度和储能模量分别提高了40%和125%;此外,Ti_(3)C_(2)T_(x)赋予了EP光驱动性能,且随着Ti_(3)C_(2)T_(x)负载量的提高,复合材料的光热转换效率逐渐提高,Ti_(3)C_(2)T_(x)含量为2.0%(按质量分数计)的Ti_(3)C_(2)T_(x)/EP复合材料在近红外光和天然日光照射下,可分别在13 s和40 s内完成形状回复。该复合材料具有较高的光热转换效率和快速的光响应驱动性能,在光驱动执行器领域具有应用潜力。

Ti_(3)C_(2)T_(x)基纳米复合材料的制备及其锂离子电池负极性能的改进作用

综述二维(2D)层状材料(MXene)的特性和零维(0D)、一维(1D)、2D等不同尺寸的活性材料的特点;总结Ti_(3)C_(2)T_(x)基-0D、Ti_(3)C_(2)T_(x)基-1D、Ti_(3)C_(2)T_(x)基-2D以及Ti_(3)C_(2)T_(x)过渡金属氧化物、Ti_(3)C_(2)T_(x)-Fe氧化物、Ti_(3)C_(2)T_(x)-Co磷化物等其他纳米材料的制备和性能。认为Ti_(3)C_(2)T_(x)作为活性材料,具有导电衬底甚至集流体的作用,其快速的离子或电子转移通道和结构稳定性的特点在混合电极中有巨大的应用潜力。提出可以通过合成结构可控的Ti_(3)C_(2)T_(x)微纳结构以及在其表面修饰不同的官能团等方法,以暴露更多的活性位点,提高离子或电子转移能力和结构稳定性;应克服由于Ti_(3)C_(2)T_(x)表面含有的氧官能团导致其发生降解反应,最终导致电池性能下降的问题;先进的原位表征手段可以在电池充放电过程中动态的记录电极及电解液的各种实时信息,便于研究SEI膜的形成和电极材料的体积膨胀;加强对软包电池性能的研究是Ti_(3)C_(2)T_(x)基负极材料能否商业化的关键。

Ti_(3)C_(2)T_(x)/Co复合材料的合成研究

采用简单的静电自组装法利用CTAB对Co粒子进行表面修饰,使其表面电荷变为正电荷,与本身表面带负电荷的Ti_(3)C_(2)T_(x)进行静电吸引自组装来合成Ti_(3)C_(2)T_(x)/Co复合材料。通过XRD、SEM和VSM分析手段,对样品的物相、形貌结构和磁性进行了表征,并对其生长机理进行了讨论。合成的Ti_(3)C_(2)T_(x)/Co复合材料同时具有Ti_(3)C_(2)T_(x)和Co的特征衍射峰;由大量的Co粒子牢固附着并且大量包覆在Ti_(3)C_(2)T_(x)表面,呈现出越来越不规则的三维堆叠结构;复合材料有磁性,且Co的含量越高,饱和磁化强度越高。

Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene基电磁屏蔽材料的研究进展

随着电子设备和无线通讯的迅猛发展,电磁干扰问题也随之日益严重,迫切需要发展高性能的电磁屏蔽防护材料来减轻电磁波干扰危害。MXene(Ti_(3)C_(2)T_(x))是一种新型二维材料,具有超高的电导率和活跃的化学活性表面,因而展现出极其优异的电磁屏蔽性能。本文重点介绍了Ti_(3)C_(2)T_(x)的制备方法、结构特性以及电磁屏蔽机理,客观地综述和评价了近年来国内外关于Ti_(3)C_(2)T_(x)基薄膜和三维多孔材料在电磁屏蔽应用方面的重要研究进展,并分析了目前存在的主要问题。此外,从Ti_(3)C_(2)T_(x)的制备、结构调控、设计组装等方面展望了Ti_(3)C_(2)T_(x)基电磁屏蔽材料的发展方向及趋势,包括发展低成本绿色环保且高效的Ti_(3)C_(2)T_(x)制备工艺、解决Ti_(3)C_(2)T_(x)不耐氧化的问题、设计新型Ti_(3)C_(2)T_(x)电磁屏蔽材料结构及探究其他种类的MXenes电磁屏蔽材料,为开发下一代高电磁屏蔽性能材料提供新的思路和指导。

新型二维材料Ti_(3)C_(2)T_(x)的合成及其在电池中的应用研究进展

MXene(Ti_(3)C_(2)T_(x))是于2011年新发现的一种新型二维过渡族金属碳化物/氮化物,因其具有独特的类石墨烯层状结构、良好的金属导电性、优异的亲水性、可调控的层间距等优点,近年来在电池领域备受关注。主要总结了MXene(Ti_(3)C_(2)T_(x))及其复合材料的合成策略及制备方法,并对Ti_(3)C_(2)T_(x)复合材料在电池领域中的应用研究进展进行了归纳和展望,希望能为高性能MXene电极材料的制备及其在离子电池中的应用提供科学参考及理论借鉴。

二维MXene材料--Ti_(3)C_(2)T_(x)在钠离子电池中的研究进展

作为第一个被制备出来的MXene材料,Ti_(3)C_(2)T_(x)独特的二维层状结构使其具有良好的电学、光学、力学与热电等性质,在电化学储能领域展现出巨大的潜力。由于钠储量在地球中较为丰富且远高于锂储量,因此钠离子电池具有成本低等优点,成为近几年储能领域的研究热点。主要围绕Ti_(3)C_(2)T_(x)的特性,介绍了其通过插层、造孔等改性方法以及与单质、金属氧化物、金属硫化物结合构成复合材料作为钠离子电池电极材料的研究进展。最后指出应采取基于钠离子脱嵌或反应的更有针对性的优化方法提升总体的电化学性能。

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。

Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合电磁屏蔽材料的结构设计与性能研究进展

随着5G网络的普及和电子设备的小型化,电磁辐射给周围环境和人体带来了一定的危害,为此研制综合性能优异的新型电磁干扰屏蔽材料具有十分重要的意义。Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene是一种新型二维材料,具有独特的层状结构、可调节的活性表面、超高电导率等特点,展现出优异的电磁屏蔽性能。近年来,关于Ti_(3)C_(2)T_(x)的制备方法和填料选择的报道层出不穷,然而从结构设计层面总结Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合材料的工作却很少。高效的结构设计不仅能够减少填料的用量而且能够提高屏蔽效能。本文以结构为主线,对近年来Ti_(3)C_(2)T_(x)基电磁屏蔽材料的发展趋势进行了总结,通过分析屏蔽效能和屏蔽机制,重点总结不同的结构如多孔结构、分层结构、核壳结构、其他特殊结构及其复合结构对Ti_(3)C_(2)T_(x)基电磁屏蔽性能的影响及作用,并提出了目前Ti_(3)C_(2)T_(x)及其复合材料在作为电磁屏蔽材料使用时急需解决的关键科学和技术问题。最后对MXenes的发展前景进行展望。

基于电泳沉积法的Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene改性国产高模高强碳纤维

为提升国产高模高强碳纤维的表面特性及其复合材料的界面性能,采用连续化电泳沉积工艺,在国产高模高强碳纤维(BHM5碳纤维)表面构筑Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene纳米片层。通过SEM、XPS、动态接触角、INSTRON万能材料试验机对改性前、后BHM5碳纤维的表面形态、表面元素含量、表面润湿性及其复合材料的力学性能和断面形貌进行了表征,探讨了Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene改性BHM5碳纤维复合材料的界面增强机制。结果表明:经Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene改性后的BHM5碳纤维表面粗糙度和比表面积增加,具备了与环氧树脂基体良好的机械互锁能力。碳纤维表面极性基团的含量明显上升,表面润湿性得以增强。在15 V电压下对BHM5碳纤维处理2 min后,其复合材料的层间剪切强度达到82.54 MPa,相较于未处理的碳纤维制成的复合材料,提升了28.2%。

MXene@聚苯胺基聚氨酯复合涂层的制备及防腐性能

为提高聚苯胺(PANI)/聚氨酯(PU)涂层对腐蚀介质的物理屏障性能,引入二维片层材料是有效方法之一。以2,4-二异氰酸甲苯酯(TDI)和3,3′-二氯-4,4′-二氨基二苯基甲烷(MOCA)为原料合成聚氨酯(PU)涂层基体,将PANI与二维Ti_(3)C_(2)Tx进行插层反应制成MXene@PANI复合物,再将MXene@PANI添加到PU树脂中,得到MXene@PANI/PU防护涂层。结果表明:MXene/PANI质量比为1∶1时,经盐雾实验60天后MXene@PANI/PU涂层表面无明显腐蚀现象,腐蚀电流为3.709×10^(−9)A·cm^(−2),阻抗模值为1.93×10^(8)Ω·cm^(2)。这归因于一方面MXene改善PANI的电化学活性,提高PANI的电化学防腐蚀性能;另一方面,Ti_(3)C_(2)T_(x)纳米片可作为二维屏障,抑制腐蚀性介质进入涂层内部,提高其长效防护性能。