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上师大李辉教授，ACS NANO：高浓度MXene有机溶剂分散液，多层到单层只需5秒！
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上师大李辉教授，ACS NANO：高浓度MXene有机溶剂分散液，多层到单层只需5秒！

上师大李辉教授，ACS NANO：高浓度MXene有机溶剂分散液，多层到单层只需5秒！ 科学材料站
2021-02-27
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导读：该文章详细的介绍了表面微环境修饰法（TMM）制备高浓度有机溶剂的方案，并对合成机理进行了深入探讨。


文章信息

High Concentration of Ti3C2Tx MXene in Organic Solvent
第一作者：张庆萧
通讯作者：李辉*
单位：上海师范大学

研究背景

MXene是当前最热门的二维材料之一。但是，如何获得高在有机溶剂中高度分散的MXene材料仍然是当前研究的一个巨大挑战。
本篇文章展示了李辉教授的在高浓度MXene有机溶剂分散液方面的工作。文章详细的介绍了表面微环境修饰法（TMM）制备高浓度有机溶剂的方案，并对合成机理进行了深入探讨，同时该方案完美的解决了MXene的氧化问题。
本文为未来MXene的研究提供高效的制备路径，有助于加速MXene材料领域的研究及实际应用。

文章简介

近日，上海师范大学的李辉教授带领课题组，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“High Concentration of Ti3C2Tx MXene in Organic Solvent”的研究论文。
该文章详细的介绍了表面微环境修饰法（TMM）制备高浓度有机溶剂的方案，并对合成机理进行了深入探讨。
图1.高浓度MXene有机溶剂材料的制备示意图。

视频展示


本文要点

要点一：高浓度Ti3C2Tx有机溶剂分散液的制备
图2.高浓度MXene有机溶剂材料的制备方案和不同溶剂中Ti3C2Tx纳米片的SEM图像。

受限于MXene的亲水性，如何制备高浓度MXene有机溶剂一直是悬而未决的问题。早在2017年，Yury Gogotsi教授等人就系统研究了Ti3C2Tx在有机溶剂中的分散性，最终制备的MXene在有机溶剂中的最高浓度仅仅不足0.5 mg/mL。
随后发展的表面修饰法也需要大量的表面修饰剂，往往需要与MXene同等数量级的表面修饰剂，大大阻碍了MXene的研究进展。
为了解决上述问题，作者发展了TMM法制备高浓度MXene有机溶剂。本方案可以快速高效的制备溶解于DMF、DMAc、PC的高浓度MXene分散液。视频展示了多层MXene在PC溶剂中的快速分散，该过程只需要5s的简单手摇即可实现。

要点二：抗氧化稳定性
图3.相同浓度下TMM法制备的MXene有机溶剂与MILD法制备的水溶液的氧化稳定性测试。

MXene的氧化是一个迫切需要面对的问题，传统的MXene贮藏方案包括：高压惰性气体储存、磷酸盐修饰、冰冻储存。然而如何在室温下制备抗氧化的MXene仍是当前的一大挑战。
由于水和空气中的氧气对MXene的氧化起主要作用，因此在有机溶剂中分散MXene可以有效地解决MXene氧化的问题。作者通过使用同一浓度下的MXene不同溶剂的分散液，放置在室温条件下以研究其抗氧化稳定性。
经过试验测试表明，TMM法制备的有机溶剂，即使在低浓度、室温、空气有氧条件下，也表现出优异的抗氧化稳定性。其中，PC分散液在30内几乎没有发生任何氧化，99%以上的MXene得以保存。

要点三：机理研究
图4.相同浓度下TMM法制备的MXene有机溶剂与MILD法制备的水溶液的氧化稳定性测试。

作者从溶剂性质和MXene材料表面变化两个方面，系统深入的研究了如何提高MXene在有机溶剂中的分散性。
得出如下结论，1，少量TBA+的修饰和对Ti3C2Tx表面的改性使得MXene的亲疏水性发生了变化。2，经过计算， Ti3C2Tx的Hansen溶度参数的约为18.05 MPa1/2，14.48 MPa1/2和8.76 MPa1/2。这为进一步寻找适合MXene的有机溶剂分散液提供更具体的参考。

要点四：材料拓展
图5. 合成的高质量的二维Ti3C2Tx的AFM图像。

一个良好的合成方案应该具有可操作性、可重复性和可拓展性。作者通过实验拓展，成功制备了不同类型的MXene材料，例如，例如Nb2CTx（M2XTx型），Nb4C3Tx（M4X3Tx型），Mo2Ti2C3Tx（双过渡金属型MXene），证明了该方案的可拓展性。

文章链接

High Concentration of Ti3C2Tx MXene in Organic Solvent
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10671

通讯作者介绍

李辉 教授。
2001年博士毕业于复旦大学化学系获博士学位，师从物理化学家，化学教育家邓景发院士。现担任上海高校化学高原学科(I类)建设负责人、上海师范大学科技处处长、上海师范大学校学术委员会委员和上海市稀土功能材料重点实验室副主任。先后主持了科技部973计划前期研究专项、国家自然科学基金青年科学基金项目和面上项目(2项)，上海市科委基础研究重点项目(3项)、上海市纳米科技专项课题(2项)及企业委托项目等。发表SCI论文60余篇。主编中文专著1部，参编英文专著1部。授权中国发明专利13件，转让1件。入选教育部新世纪优秀人才支持计划(2011年度)、上海市教委曙光计划(2010年度)、上海市青年科技启明星计划(2005年度)和上海人才发展资金资助计划(2012年度)。获2012年度上海市自然科学二等奖(第四)。

第一作者介绍

张庆萧 博士。
上海师范大学2019级博士研究生，李辉老师的小迷弟(#^.^#)。研究重点是二维MXene材料的催化应用。


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