中國儲能網(wǎng)訊：二維層狀過渡金屬碳化物納米片（MXenes）是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型低維結(jié)構(gòu)材料。它們可以通過對MAX相中A層原子的選擇性溶解，在室溫或者略高于室溫環(huán)境中獲得。目前已知的MXenes主要有Ti2CTx、V2CTx、Nb2CTx、(Ti0.5, Nb0.5)2CTx、Ti3C2Tx、Ti3CNTx、(V0.5, Cr0.5)3C2Tx、Ta4C3Tx和Nb4C3Tx，它們都是由A位是Al的MAX相經(jīng)HF酸或者NH4HF2溶液處理得到的。因此，這些片層上通常帶有O、OH、F或者NH3、NH4+等基團(tuán)，可以用Mn+1XnTx（T指表面基團(tuán)）來表示。通過對化學(xué)元素（M、X）、化學(xué)計(jì)量比（n）、表面基團(tuán)（Tx）的調(diào)整，MXenes展現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)異的性能，比如擁有巨大的比表面積、良好的親水性能以及比原材料MAX相更好的導(dǎo)電性等等。MXenes潛在的應(yīng)用研究主要集中在能量轉(zhuǎn)換材料上，比如作為鋰離子電池和超級電容器的電極材料，具有較高的比電容和體積電容；也可作為在燃料電池中Pt納米顆粒（Pt NPs）的固相載體。此外，MXenes巨大的比表面積使其可以非常容易地吸附重金屬離子以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的，將MXenes制成透明導(dǎo)電膜后其溫敏電阻和負(fù)磁致電阻等效應(yīng)使其在電子、光子、傳感器領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
V2CTx屬于MXenes材料中的一種典型二維材料，其晶格常數(shù)c值的增加（V2AlC的c值為13.83 ?，V2CTx的c值為19.73 ? 或 23.96 ?）是目前已知的MXenes中最大的，因此V2CTx層間能夠容納更多更大的離子或分子。比如作為鋰離子電池的電極材料，V2CTx在充放電速率為1C和10C時，電容量分別高達(dá)280mAhg-1和125mAhg-1，這在所有已知的Mxenes中是最優(yōu)異的。考慮到有機(jī)材料的智能響應(yīng)性，導(dǎo)電型MXenes無機(jī)材料與有機(jī)材料雜化將開拓更廣闊的應(yīng)用空間。多重刺激響應(yīng)高分子因其在復(fù)雜環(huán)境中能對兩種或者更多的外界條件做到協(xié)同可控響應(yīng)而受到越來越多的關(guān)注。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所結(jié)構(gòu)與功能一體化團(tuán)隊(duì)與智能高分子材料團(tuán)隊(duì)合作，將V2C與具有某些特殊基團(tuán)高分子PDMAEMA復(fù)合獲得了一種CO2-溫度雙重響應(yīng)的智能材料（如圖1）。這種V2C@PDMAEMA復(fù)合材料的水溶液存在一個低臨界溶液溫度（LCST），因此溶液的透光率能夠隨著溫度的交替變化發(fā)生可逆變化（如圖2）。表現(xiàn)為25℃時溶液透光率很低，這是由于復(fù)合材料中的高分子該狀態(tài)下處于相對舒展的形態(tài)，使得V2C@PDMAEMA能夠良好地分散在水中；而45℃時高分子會發(fā)生收縮，并與V2C形成非水溶性顆粒從而形成沉降，因此該體系上清液的透光率就變高了。隨著溫度的下降高分子的形態(tài)重新展開，使得V2C@PDMAEMA又一次能夠在水中均勻分散，因此這是一個可逆的過程，顯示出智能響應(yīng)高分子對于二維無機(jī)材料分散狀態(tài)的調(diào)控，從而有可能增加MXenes潛在應(yīng)用中性能的調(diào)諧性。
此外，V2C良好的導(dǎo)電性，使得V2C@PDMAEMA對CO2-溫度雙重響應(yīng)能夠在電導(dǎo)率更加容易地體現(xiàn)。在溫度由25℃和65℃之間轉(zhuǎn)變時，V2C@PDMAEMA水溶液的電導(dǎo)率從125μS cm?1到225μS cm?1間發(fā)生可逆變化，這個變化幅度比純水要大得多(如圖3(a))。CO2和N2的交替鼓入也能使V2C@PDMAEMA水溶液的電導(dǎo)率發(fā)生可逆響應(yīng)。因此該實(shí)驗(yàn)表明通過對電導(dǎo)率的測定，V2C@PDMAEMA可以有助于監(jiān)測體系中溫度和CO2的濃度，視為一種良好的傳感器材料。
該工作近期已發(fā)表于國際化學(xué)刊物Chemical Communications(DOI: 10.1039/C4CC07220K)。
圖1 V2C二維納米片微觀結(jié)構(gòu)圖與V2C@PDMAEMA智能材料制備示意圖
圖2 V2C@PDMAEMA懸浮液隨溫度調(diào)控的光透過率
圖3 V2C@PDMAEMA懸浮液電導(dǎo)率隨溫度可逆變化和可逆的二氧化碳相應(yīng)特性
