Page 25 - 《精细化工》2022年第11期

第 11 期 陈 珍，等: MXene 的制备与改性及其在功能涂层中的应用 ·2175·

的剥离技术获得 [14-15,38-44] 。不同刻蚀方法得到的 片层的层间距；掺杂改性会对其表面官能团进行一
MXene 表面官能团不同（如—F、—OH、—Cl 等）， 定的改变。不论是掺杂改性还是插层改性，均可提高
其各项性能也受影响，所以在刻蚀的过程中，应考 MXene 相应的性能，而这些改性方法之所以能达到
虑 MXene 的用途，从而确定合适的刻蚀方法， 预期效果的前提是保证 MXene 结构的相对完整性。
MARIA 等 [45] 对常见刻蚀方法与所得表面官能团进 MXene 自身在有水和氧气的环境下易氧化，导致自
行了较为全面的总结。 身结构坍塌，从而彻底失去发挥其优异性能的物质基
1.2 剥离过程 础，所以，对 MXene 进行防氧化改性也是至关重要的。
通过不同方法刻蚀 MAX 可以得到手风琴状或 2.1 插层改性
黏土状的多层 MXene，前者具有漂亮的分层结构， 插层改性包括先剥离再插层和先插层再剥离，
但不易剥离成纳米片，后者的微观形貌没有呈现明 主要是将阳离子或有机物等插入 MXene 层间，扩大
显的分层结构，但通过简单的手摇或超声作用即可 MXene 的层间距，使其暴露出更多的活性位点，进
剥离得到 MXene 纳米片。研究者主要通过物理法、 而提高 MXene 的电化学性能、吸附性能和机械性能
化学法或二者结合的方法来剥离多层 MXene。物理 等。LI 等 [52] 通过在 MXene 水溶液中加入氢氧化钾
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法主要是指通过手摇、超声作用等将黏土状 MXene 得到 K 插层的 MXene，发现 K 插层的 MXene 基电
剥离成片。物理法简单，但耗时长，长时间暴露在 极的比电容是未插层 MXene 的两倍。GHANI 等 [53]
水和空气中会使 MXene 氧化，过强的作用会导致 用 Na 插层 MXene（SI-Ti 3 C 2 T x ），插层后提高了
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MXene 尺寸小、产率低等。化学法则是利用插层剂 MXene 的比表面积，MXene 表面暴露更多的活性位
的插层作用削弱 MXene 的层间结合力，再配合超声 点，MXene 与环丙沙星（CPX）形成氢键，经过电
等物理手段剥离出 MXene 纳米片。常见的插层剂包 化学处理后，废水中 CPX 降解成 CO 2 和 H 2 O，其过
括金属离子和极性分子插层剂。金属离子插层主要 程如图 2 所示。第 2 个再生周期后，CPX 去除率达
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是利用 Li 、Na 、K 等碱金属离子在刻蚀过程中插 到 97%。WANG 等 [54] 将 Na 通过双相转变和固溶反
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层到 MXene 层间 [46] ，减弱 MXene 片层之间化学键 应依次插入到 MXene 晶格中，使得 MXene 被用作
的相互作用，显著增大 MXene 层间距，该法可一步 Na 电池阳极时具有优异的循环稳定性和倍率性能。
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完成刻蚀和插层，然后通过物理方法剥离即可得到 KAJIYAMA 等 [55] 通过将含氮化合物直接插入到
高比表面积、产率高的少层 MXene。 MXene 层间或者在高温氨气下处理 MXene 的方法
除金属离子外，用极性分子〔如二甲基亚砜 引入氮元素，提高其电化学性能。ZHANG 等 [56] 将
（DMSO）、异丙基胺等 [47] 〕进行插层也能改变 氮掺杂碳插入 MXene 中，制备的 NC-Ti 3C 2T x 显示出
MXene 的层间距，从而提高多层 MXene 的剥离效 高达 3.0 V/s 的快速充电/放电速率，在 1.0 A/g 时，比
率。 MASHTALIR 等 [48] 用 DMSO 插层 到 Ti 3 C 2 电容为 82.8 F/g，在 5000 次循环后，电容保持率为
（MXene）层间，获得电化学性能明显提高的少层 100%。ZHENG 等 [57] 通过热碱（LiOH/NaOH）溶液
MXene。但该法适用范围受限，不适用于制备其他 处理 MXene，MXene 层间距增加 29%，其中 NaOH-
类型的 MXene，并且 DMSO 沸点高，在制备过程中 MXene 对亚甲蓝具有较高的吸附容量（189 mg/g），
不易被彻底去除 [49] 。NAGUIB 等 [50] 用四丁基氢氧化
这归因于表面吸附和插层吸附的协同作用。
铵于室温下处理多层 MXene，四丁基氢氧化铵的插
除阳离子插层外，也可用有机物对 MXene 进行
入使 MXene 层间发生膨胀，从而削弱层间作用力，
插层改性。例如，LV 等 [58] 通过改变 MXene 的超声
在轻微搅动或超声后即可得到少层 MXene。
环境，在乙醇或 DMSO 中利用超声波对 MXene 进
在实际应用中，相比于多层 MXene，经过剥离
行插层，得到具有高电导率、高比面积的少层
过程得到的少层 MXene 具有更高的比表面积和更
MXene。XUAN 等 [32] 使用 TMAOH 作为刻蚀剂与铝
优的电子传输能力，从而赋予 MXene 优异的电学、 +
发生反应，Ti—Al 键的裂解使 TMA 能够进入片层
光热转换等性能。
之间，从而促进分层，大大增强了 MXene 在近红外
2 Mxene 的改性 （NIR）区域吸收光的能力。
通过插层改性可简单高效地增大 MXene 的层
随着 MXene 应用研究的深入，其本征性能已不 间距，使其在电池、储能等领域有更好的应用。但
能满足各种实际需求 [51] 。因此，需要对 MXene 进行 是利用 HCl/LiF 刻蚀获得的 MXene 含有 F 终端基
表面改性和功能化来提高其性能并且赋予其新的功 团，用作超级电容器电极时，其电化学性能往往不
能，常用的方法有插层改性、掺杂改性等。插层改 佳。因此，除插层改性外，仍应辅以掺杂改性等其
性一般不改变 MXene 的表面官能团，仅增大 MXene 他手段进一步提高 MXene 的电化学性能。