第3章 MXene的应用

3.1 MXene在电极材料领域的应用

在恒定扫描速率为0.2 mV/s下，Ti2CTx电极锂电池首次放电过程出现不可逆还原峰，推测可能形成了固体电解质中间相（SEI）。在C/25倍率下，Ti2CTx稳定的比容量为225 mAh /g错误！未找到引用源。。Ti2CTx非水系非对称电容电池具有高倍率充放电、高能量密度和良好的循环性能等特点，充放电过程未出现充放电平台，证明MXene电池储锂机制为锂离子插层，而非两相转变机制。Nb2CTx和V2CTx锂电池也具有良好的高倍率充放电性能。在1 C循环速率下，Nb2CTx和 V2CTx电极的首次充放电比容量分别为422 mAh/g和380 mAh/g，两者均比Ti2CTx电极表现出更高的比容量和更好的稳定性。但是目前Nb2CTx和V2CTx还没分层成功，可以预测“Nb2CTx纸”和“V2CTx纸”电极的电学性能会更出色。其次不同的MXenes电化学窗口不同，可选择性作为电池正负电极使用。层厚对MXene电化学性能具有重要的影响作用。在1 C循环速率下，“Ti3C2Tx纸”为负极的锂电池比容量高达410 mAh/g，相当于每三个锂离子嵌入到一个Ti3C2Tx晶胞中，是相同条件下多层Ti3C2Tx电极比容量的四倍。在KOH电解液中，“Ti3C2Tx纸”电容器的比电容为340 F/cm3，是碳化物衍生炭电极的2倍左右，在1 A/g下，经过10000次循环之后仍能基本保持初始比电容。官能团对MXene电化学性能也具有重要的影响作用。汤等理论计算结果表明，锂原子在Ti3C2表面扩散速率较大，Ti3C2Li2的理论嵌锂容量为320 mAh/g，而Ti3C2T2（T = F或OH）表面锂原子扩散速率较小，理论嵌锂容量也较低。谢等理论计算结果表明：MXene含氧官能团结构能够吸附多层锂，能显著提高MXene的储能容量。由于过渡金属原子质量通常都比较大，导致MXenes的比表面积很小，即使“Ti3C2Tx纸”的比表面积也只有98 m2/g错误！未找到引用源。左右。在MXene材料的Ti原子氧化过程中，上述的电容价值被很好的证实了。然而，在电介质水溶液中MXene已经被选做电极材料，并且在电介质中呈现了一个潜在的突破口。而且，电介质中阳极高电位下发生的Ti3C2氧化反应大大限制了其在不对称器件中阴极的剥离。由于其在能量和强度方面都加强了潜在窗口的面积，而她的扩散或膨胀对于改善空间设计起着重要的作用，有机电介质也可以电压窗口扩到2-2.5V。

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然而，MXenes却对多种离子具有极高的体积比容量，可用于多种离子电池、超级电容器以及新型杂化储能元件等领域，MXene在储能领域的应用将是未来备受关注的研究热点。

3.2 MXene在催化领域的应用

谢等人曾将Ti3C2Tx代替碳黑作为铂纳米晶载体，应用在催化氧化还原反应中。结果显示，在稳定性和循环性能方面，Pt/Ti3C2Tx要比Pt/C催化剂更加优越。另外，其他人等利用分子动力学研究发现，修饰羟基的MXenes化学反应活性高，容易与CH2OH发生取代反应，说明MXene有望有催化作用用于酯化催化反应。

3.3 MXene的吸附性能

彭等研究表明，碱金属插层的Ti3C2对重金属Pb2+具有很好的吸附性能，可有效实现饮用水的净化，该吸附行为与MXene表面的活化羟基密切相关，具有吸附速率快，吸附量大，灵敏度高和可逆吸附的特点。即使当溶液中含有较高浓度的Ca2+、Mg2+等竞争离子时，MXene对Pb2+的吸附所受影响也很微弱。独特的层状结构使得MXene有望在重金属、有害阴离子和有机污染物的治理等方面具有一定的应用前景。

3.4 MXene 在储氢领域的应用

相关课题组运用局域密度近似泛函和分子动力学模拟的方法研究了Ti2C、Sc2C和V2C的储氢性能，发现MXene具有较高的储氢量和可逆储放氢能力。可知，在化学吸附、Kubas吸附和物理吸附三种机制作用下，Ti2C理论储氢量高达8.6wt%。其中，Kubas作用的氢分子存储量为3.4wt%，能够实现常温常压下的可逆吸附/释放氢循环，比各类碳材料均具有可观的室温理论储氢量。在所有的MXene中，由于Sc2C具有最小的相对分子质量，因此理论上它具有最大的比表面积和储氢量。Sc2C的理论储氢量高达9.0wt%，其中Kubas作用的氢分子存储量为3.6wt%。另外，由于Sc2C储氢体系的Kubas作用力较小（0.164 eV），因此也更容易实现室温下的可逆吸附/释放氢循环。还原反应各自储存能量。在氧化还原反应中，能量快速的储存在材料的表面，例如MnO2、RuO2、Nb2O5或者MoO3。

同时，作为一种类似于电池、Li、Na电容一个叫做MXene的新的二维族系

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的材料，就像电池一样Li+，Na+合金电容和电化学电容器。MXene是选择三碳化合物的MAX相阶段，选取有传导力的A层合成的。在MXene族系中，Ti3C2是首个被发现的，也是至今为止被多次研究的。在电容器中作为电极材料Ti3C2电介质中插入像LiP、Mg2P或者Al阳离子电容可以达到100 Fg-1。另外MXene的性能可以通过调和官能团、剥离或添加碳纳米粒子来实现。剥离在锂离子电池中的含有碳纳米粒子的电极有很显著的效果，同时在水电容中电容分别可以达到430 mAhg-1和140 Fg-1。

3.5 MXene在复合材料领域的应用

虽然至今很少有关于聚合物分散体的报道，但是Zhang等人尝试将Ti3Si0.75Al0.25C2的超薄纳米层用作导电助剂。该复合材料具有优异的机械和热性能，比起PMMA石墨复合材料更胜一筹。比起MAX相，MXene材料表现出的最大的优点是具有增强基质的界面强度，也可以形成与其结构类似的含有共价键的表面官能团。甘等理论结果表明，MoS2/Ti2C复合材料界面的相互作用属于化学力，Ti2C的诱导作用使得MoS2表现出金属特性。而MoS2/Ti2CF2和MoS2/Ti2C(OH)2复合材料界面的相互作用属于物理吸附，保留了MoS2半导体的特性。Ma等理论研究发现，TMDs/Sc2CF2复合材料的带隙宽度在0.13～1.18 eV范围内，属于Ⅱ型异质结构半导体，其中价带顶位于Sc2CF2上，导带底位于TMDs上，可实现电子-空穴对的有效分离。氧化物纳米颗粒经与石墨烯复合之后性能能够大大提高，同样，相关课题组研究发现，MXene /Cu2O复合材料能够明显降低高氯酸铵热分解温度，提高分解速率，Cu2O的催化性能进一步提高错误！未找

到引用源。。良好的导电性、磁性和力学性能以及丰富可调的表面官能团，使得

MXene在有机/无机复合材料和增强改性聚合物等领域的应用研究具有重要的现实意义和价值错误！未找到引用源。。

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第4章 结束语

二维晶体材料在电子、储能、润滑、复合材料增强等领域具有非常广泛的应用前景。前文分析表明，MXene具有优异的力学、电子、磁学等性质，且其组分可调，适当的控制和调解其组分可以获得具有特殊性能二维晶体材料，为其在纳米技术应用领域奠定了良好的基础。可以将MXene材料应用于以下领域。

（1）复合材料的增强相：MXene具有很高的弯曲强度，其通过氢氟酸刻蚀MAX相制备的MXene的表面带有F-、OH-等官能团，可以通过表面修饰使其更好的溶解在复合材料基体中，从而改变复合材料的力学性能。同时MXene还具有优异的导电性能，作为高分子增强相可提高高分子材料的导电性能。

（2）润滑材料：层状晶体结构润滑剂是常见的润滑材料，以石墨烯和MoS2为代表。润滑剂应具有低的摩擦系数和高的粘着强度，容易在对偶表面形成转移膜，从而起到减摩作用。石墨烯作为一种新型的二维晶体材料由于其优异的承载能力和高的机械强度使其具有优良的摩擦学性能。

（3）储能领域：由于矿物燃料资源的枯竭及其燃烧带来的环境问题越来越严重，人们开始寻求新的能源装置。超级电容器由于具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点使其具有广阔的应用前景。且超级电容器的电容与电极的表面积相关，电极表面积越大，其电容量越大，目前其电极材料多为活性炭或金属氧化物。

尽管评论褒贬不一，但MXenes的发现的极大地扩大了二维材料族系，并会有更大的发展。MXene作为一种新型二维晶体材料，具有优异的性能，在众多领域具有重要的应用价值。如果低成本、大规模制备纯净MXene二维晶体的技术难题解决，必然可以帮助解决在新能源材料、结构材料、润滑材料、电子材料等领域中存在的大量技术难题，促进这些领域的科学进步。所以开展这方面的研究具有重大的意义

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