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新型二维层状材料“Mxenes”为何在柔性传感材料中受宠?
2022年01月14日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:35
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2011年,新型二维层状材料Ti3C2Tx被Barsumn和Gogotsi等人发现,为了表明此类材料是由MAX相剥离而来,并且突出此类材料与石墨烯(Graphene)结构相似,因次将它们统一命名为MXene(迈科烯与石墨烯类似,MXenes(二维过渡金属碳化物和氮化物)由于其优异的亲水性和导电性、大的比电容和优异的电化学性能等,在电化学储能中显示出巨大的潜力。

新型二维层状材料Ti3C2Tx

小知识:MAX相和MXene材料。MAX相材料是由三种元素组成的天然层状碳氮化物无机非金属类材料:M是代表过渡金属元素,A则是指主族元素,而X则代表碳或氮,其具有金属的导电和导热性质,也具备结构陶瓷的高强度、耐高温、耐腐蚀等苛刻环境服役能力,通过化学液相法可以选择性蚀刻掉MAX相中的A元素得到相应的MXene相。

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这类材料通式可表示为Mn+1XnTx,其中M代表过渡族金属元素,X为碳、氮或碳氮,T代表制备过程中产生的表面官能团。这类材料被发现以来,科学家将其应用于各种领域,比如,储能与转换、传感器、电磁屏蔽和生物医学等领域。随着先进制造和新材料的研发,二维层状材料Ti3C2Tx备受关在传感器,特别是在柔性材料的研究应用中展现了十分广阔的前景。这是为啥呢?接下来小编带你讨论二维世界(Mxenes)在柔性传感器中追捧原因。  


消费电子产品、人工智能和临床医学的快速发展使人们对柔性压力传感器的需求不断增加,其性能主要依赖于具有高灵活性和适当导电性的敏感材料。

1)Mxenes材料的优异的导电性

毫无疑问,MXene材料优异的导电性使其成为传感器领域中重要的导电材料之一。这主要是由于MXene层状结构中导电碳化物芯可以提供快速的电子传输路径。理论计算表明,单层MXene具有接近费米能级的高电子密度。Ti3C2Tx的导电性与MAX相前驱体的合成工艺、刻蚀方法,以及MXene自身的尺寸、表面官能团(数量、分布、比例)、层间接触电阻等密切相关。以氟化锂和盐酸混合液刻蚀的单层Ti3C2Tx缺陷少、横向尺寸较大,测试其制成的薄膜可发现导电率高达6000~8000S/cm,比其他二维金属硫化物/氢氧化物的导电性都要好。

与单层相比,由于测试方法和结构的不同,多层MXene材料的导电率低很多,对于单个多层MXene颗粒来说,其平面内的电导率(24.1S/cm)远远高于垂直于基面的电导率(1.41S/cm)。

2)Mxenes材料的元素选择

由于Mxene,通式可表示为Mn+1XnTx,其中M代表过渡族金属元素,X为碳、氮或碳氮,T代表制备过程中产生的表面官能团。由于金属元素和碳元素的选择众多,使得Max材料的结构和命名也多种多样吧,从而导致Mxene材料的选材众多。因此,较多的元素选择和结构可控使其在二维材料领域中独占鳌头,从而广泛应用于其复合材料和传感领域。截至2019年,如图1所示,已经通过实验制备得到了超过30多种MXene。

Max和MXenes的元素组成和结构

1.Max和MXenes的元素组成和结构

结构决定材料的性能。Mxene这种具有多种组分、表面功能化和厚度可控性的材料使他它涵盖了从金属性、半导体性到拓扑绝缘的各种电子性质。MXene的亲水性和电导率与其表面官能团有关。大多数MXene具有金属带结构,而少数有望成为半导体。MXene的性质主要取决于过渡金属原子、表面官能团和X元素。据预测,MXene中过渡金属ScY是半导体,而Ti、Zr和Hf需要二价氧终端才能有开带隙。HF制备的MXene的电导率仅为1000S/cm,而HCl和LiF制备的MXene的电导率为4600S/cm。

目前,Ti3C2Tx薄膜的最高电导率为10000S/cm。热处理和碱化处理是提高其电性能的有效方法。控制MXene的表面化学性质是获得半导体或拓扑绝缘MXene的关键。

3)Mxenes材料的制备工艺

如图2所示,Mxene制备方式众多,包括:a)湿酸刻蚀;b)熔盐腐蚀;c)过渡金属硫化物渗碳;d)过渡金属碳化物的氨化;e)水的腐蚀;f)UV-诱导蚀刻。因此,较多制备工艺导致其制备方式多样,从而导致其材料性能可调,功能众多。

Mxene的制备工艺

2.Mxene的制备工艺

其中,广泛并且常用的MXene的制备工艺是刻蚀工艺,你主要分为含氟刻蚀法和无氟刻蚀法两类。含氟刻蚀法包括传统氢氟酸刻蚀、氟盐+酸刻蚀和二氟化合物刻蚀。无氟刻蚀法包括电化学刻蚀、水热法碱刻蚀、路易斯酸熔融盐刻蚀和无水刻蚀。

HF刻蚀MXene种类及Ti3C2Tx刻蚀方法发展时间轴

3.HF刻蚀MXene种类及Ti3C2Tx刻蚀方法发展时间轴

 

总结

在柔性传感器领域,Mxene(Ti3C2Tx)有以下优势:Ti3C2Tx密度小、质量轻;Ti3C2Tx由不同的元素组成,具有多个原子层的厚度,因此在不同片层方向上具有偶极子和空间电荷双极化行为;是在蚀刻过程中,表面官能基团与Ti结合形成Ti-O或Ti-F键,引入大量的缺陷,缺陷作为极化中心增强导电能力;是由于碳原子层的存在,沿面内方向的电子迁移率较大,在直流电场作用下会增强导电能力;是多层结构及较大的比表面积利于电荷的密度,增强其导电能力。这些独特的优势促使Mxene(Ti3C2Tx)逐渐成为目前柔性传感器领域的研究热点。

 

作者:小陈

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