MXene（Ti3C2Tx）是一種具有金屬導電性和膠體加工性獨特結合的新型二維材料，在儲能、電磁干擾屏蔽、催化等儲能等領域具有重要研究價值，是目前最熱門的幾種二維材料之一。部分研究表明，Ti3C2Tx引入水凝膠，可以提高凝膠的導電性/導熱性。但缺乏易于調節(jié)的表面化學性，Ti3C2Tx很難組裝成純水凝膠。為解決這一難點，通常會加入高分子凝膠劑（氧化石墨烯和聚合物）或鹽（多價陽離子），采用水熱法或干法復水法制備Ti3C2Tx復合水凝膠。然而，由于引入外來組分，復合水凝膠的導電性通常受到限制，難以精細控制凝膠體系中的微觀結構，給材料的實際應用帶來了障礙。因此，制備具有高度可調微觀結構的高性能純Ti3C2Tx水凝膠是一個巨大挑戰(zhàn)。
近日，清華大學李春副教授團隊利用冷凍誘導預組裝和特殊設計的質子酸解凍方法，制備出原始Ti3C2Tx水凝膠基質。研究表明，Ti3C2Tx水凝膠微觀結構完整且呈現垂直排列，在垂直方向上顯示出優(yōu)異的機械性能/導電性和較大的各向異性比。此外， 各向異性Ti3C2Tx水凝膠還有助于垂直通道內的快速傳質，在太陽能蒸汽發(fā)電（1kW m?2輻射下可達1.90 kg m?2 h?1）方面有著潛在的應用前景。相關工作以“Pristine Titanium Carbide MXene Hydrogel Matrix”發(fā)表在《ACS NANO》。
純Ti3C2Tx水凝膠的制備：
將Ti3C2Tx分散體冷凍，在冰晶的引導下對Ti3C2Tx納米片進行預組裝，形成冷凍凝膠。然后，加入5mHCl用于解凍凍融樣品。最后，反復透析Ti3C2Tx水凝膠，直到透析液變?yōu)橹行?，即可得到純Ti3C2Tx水凝膠。
純Ti3C2Tx水凝膠的形成機理及性能：
在冷凍過程中，冰晶在Ti3C2Tx分散體內沿溫度梯度方向生長，通過調整冷凍方向和凍結速度，微調的微觀結構，構建各向異性Ti3C2Tx凍膠。酸處理樣品過程中，嵌入的Li+與水合質子發(fā)生交換，通過靜電作用穩(wěn)定水凝膠基質，優(yōu)化凝膠的傳質和傳熱性，防止了融化過程中Ti3C2Tx壁的膨脹和分解，保持微觀結構。同時，經過酸的處理，材料的冰點降低到?20°C以下，因此，在解凍過程中，凍膠的原始微觀結構得到了很好的保存。
研究發(fā)現：Ti3C2Tx水凝膠（固體含量5 wt%）表現出高壓縮模量達2.4 MPa（圖5所示）；Ti3C2Tx水凝膠（固體含量3 wt%）能夠承受100 g的重量，而不會出現明顯的結構變形（相當于10 kPa施加的壓縮應力）。同時，長程定向原始Ti3C2Tx水凝膠的各向異性比（定義為平行和正交方向的電導率之比）約為3?4，平行方向上電導率的最高可達220 S m?1（5 wt%固體含量）。因此，原始Ti3C2Tx水凝膠中高可調的電子輸運行為在水凝膠生物電子學有潛在應用前景。
此外，長程取向微觀結構的原始Ti3C2Tx水凝膠，垂直排列的通道應滿足快速水傳輸路徑的要求（圖6所示），最高的蒸發(fā)率達1.90 kg m?2 h?1，總的能量轉換效率約為97%，即使在黑暗環(huán)境中的高蒸發(fā)率可達0.5 kg m?2 h?1。此外，在較高的光照濃度下或儲存2周后，原始Ti3C2Tx水凝膠的太陽能蒸汽發(fā)生率也很穩(wěn)定，可滿足實際應用的器件構建。
小結：綜上所述，采用自行設計的原位插層化學改性解凍工藝與冰模板預組裝相結合，制備出微觀結構可調的純Ti3C2Tx水凝膠。由于不含外源凝膠和高度各向異性的微觀結構，純Ti3C2Tx水凝膠顯示出了良好的機械性能、導電性和具有競爭力的太陽能蒸汽發(fā)電性能，可在生物電子學，離子電子學，能量儲存，結構材料，生物相容材料等廣泛領域有潛在應用。
全文鏈接：
