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鄒小姐：13326633089 -
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2011年，新型二維層狀材料Ti3C2Tx被Barsumn和Gogotsi等人發(fā)現(xiàn)，為了表明此類材料是由MAX相剝離而來(lái)，并且突出此類材料與石墨烯（Graphene）結(jié)構(gòu)相似，因次將它們統(tǒng)一命名為MXene（邁科烯）。與石墨烯類似，MXenes（二維過(guò)渡金屬碳化物和氮化物）由于其優(yōu)異的親水性和導(dǎo)電性、大的比電容和優(yōu)異的電化學(xué)性能等，在電化學(xué)儲(chǔ)能中顯示出巨大的潛力。
小知識(shí)：MAX相和MXene材料。MAX相材料是由三種元素組成的天然層狀碳氮化物無(wú)機(jī)非金屬類材料：M是代表過(guò)渡金屬元素，A則是指主族元素，而X則代表碳或氮，其具有金屬的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性質(zhì)，也具備結(jié)構(gòu)陶瓷的高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等苛刻環(huán)境服役能力，通過(guò)化學(xué)液相法可以選擇性蝕刻掉MAX相中的A元素得到相應(yīng)的MXene相。
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這類材料通式可表示為Mn+1XnTx，其中M代表過(guò)渡族金屬元素，X為碳、氮或碳氮，T代表制備過(guò)程中產(chǎn)生的表面官能團(tuán)。這類材料被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)家將其應(yīng)用于各種領(lǐng)域，比如，儲(chǔ)能與轉(zhuǎn)換、傳感器、電磁屏蔽和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。隨著先進(jìn)制造和新材料的研發(fā)，二維層狀材料Ti3C2Tx備受關(guān)在傳感器，特別是在柔性材料的研究應(yīng)用中展現(xiàn)了十分廣闊的前景。這是為啥呢？接下來(lái)小編帶你討論二維世界（Mxenes）在柔性傳感器中追捧原因。
消費(fèi)電子產(chǎn)品、人工智能和臨床醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展使人們對(duì)柔性壓力傳感器的需求不斷增加，其性能主要依賴于具有高靈活性和適當(dāng)導(dǎo)電性的敏感材料。
1）Mxenes材料的優(yōu)異的導(dǎo)電性
毫無(wú)疑問(wèn)，MXene材料優(yōu)異的導(dǎo)電性使其成為傳感器領(lǐng)域中重要的導(dǎo)電材料之一。這主要是由于MXene層狀結(jié)構(gòu)中導(dǎo)電碳化物芯可以提供快速的電子傳輸路徑。理論計(jì)算表明，單層MXene具有接近費(fèi)米能級(jí)的高電子密度。Ti3C2Tx的導(dǎo)電性與MAX相前驅(qū)體的合成工藝、刻蝕方法，以及MXene自身的尺寸、表面官能團(tuán)（數(shù)量、分布、比例）、層間接觸電阻等密切相關(guān)。以氟化鋰和鹽酸混合液刻蝕的單層Ti3C2Tx缺陷少、橫向尺寸較大，測(cè)試其制成的薄膜可發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電率高達(dá)6000～8000S/cm，比其他二維金屬硫化物/氫氧化物的導(dǎo)電性都要好。
與單層相比，由于測(cè)試方法和結(jié)構(gòu)的不同，多層MXene材料的導(dǎo)電率低很多，對(duì)于單個(gè)多層MXene顆粒來(lái)說(shuō)，其平面內(nèi)的電導(dǎo)率（24.1S/cm）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于垂直于基面的電導(dǎo)率（1.41S/cm）。
2）Mxenes材料的元素選擇
由于Mxene，通式可表示為Mn+1XnTx，其中M代表過(guò)渡族金屬元素，X為碳、氮或碳氮，T代表制備過(guò)程中產(chǎn)生的表面官能團(tuán)。由于金屬元素和碳元素的選擇眾多，使得Max材料的結(jié)構(gòu)和命名也多種多樣吧，從而導(dǎo)致Mxene材料的選材眾多。因此，較多的元素選擇和結(jié)構(gòu)可控使其在二維材料領(lǐng)域中獨(dú)占鰲頭，從而廣泛應(yīng)用于其復(fù)合材料和傳感領(lǐng)域。截至2019年，如圖1所示，已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備得到了超過(guò)30多種MXene。
圖1.Max和MXenes的元素組成和結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)決定材料的性能。Mxene這種具有多種組分、表面功能化和厚度可控性的材料，使他它涵蓋了從金屬性、半導(dǎo)體性到拓?fù)浣^緣的各種電子性質(zhì)。MXene的親水性和電導(dǎo)率與其表面官能團(tuán)有關(guān)。大多數(shù)MXene具有金屬帶結(jié)構(gòu)，而少數(shù)有望成為半導(dǎo)體。MXene的性質(zhì)主要取決于過(guò)渡金屬原子、表面官能團(tuán)和X元素。據(jù)預(yù)測(cè)，MXene中過(guò)渡金屬Sc和Y是半導(dǎo)體，而Ti、Zr和Hf需要二價(jià)氧終端才能有開(kāi)帶隙。HF制備的MXene的電導(dǎo)率僅為1000S/cm，而HCl和LiF制備的MXene的電導(dǎo)率為4600S/cm。
目前，Ti3C2Tx薄膜的最高電導(dǎo)率為10000S/cm。熱處理和堿化處理是提高其電性能的有效方法?？刂芃Xene的表面化學(xué)性質(zhì)是獲得半導(dǎo)體或拓?fù)浣^緣MXene的關(guān)鍵。
3）Mxenes材料的制備工藝
如圖2所示，Mxene制備方式眾多，包括：a）濕酸刻蝕；b）熔鹽腐蝕；c）過(guò)渡金屬硫化物滲碳；d）過(guò)渡金屬碳化物的氨化；e）水的腐蝕；f）UV-誘導(dǎo)蝕刻。因此，較多制備工藝導(dǎo)致其制備方式多樣，從而導(dǎo)致其材料性能可調(diào)，功能眾多。
圖2.Mxene的制備工藝
其中，廣泛并且常用的MXene的制備工藝是刻蝕工藝，你主要分為含氟刻蝕法和無(wú)氟刻蝕法兩類。含氟刻蝕法包括傳統(tǒng)氫氟酸刻蝕、氟鹽+酸刻蝕和二氟化合物刻蝕。無(wú)氟刻蝕法包括電化學(xué)刻蝕、水熱法堿刻蝕、路易斯酸熔融鹽刻蝕和無(wú)水刻蝕。
圖3.HF刻蝕MXene種類及Ti3C2Tx刻蝕方法發(fā)展時(shí)間軸
總結(jié)
在柔性傳感器領(lǐng)域，Mxene（Ti3C2Tx）有以下優(yōu)勢(shì)：①是Ti3C2Tx密度小、質(zhì)量輕；②是Ti3C2Tx由不同的元素組成，具有多個(gè)原子層的厚度，因此在不同片層方向上具有偶極子和空間電荷雙極化行為；③是在蝕刻過(guò)程中，表面官能基團(tuán)與Ti結(jié)合形成Ti-O或Ti-F鍵，引入大量的缺陷，缺陷作為極化中心增強(qiáng)導(dǎo)電能力；④是由于碳原子層的存在，沿面內(nèi)方向的電子遷移率較大，在直流電場(chǎng)作用下會(huì)增強(qiáng)導(dǎo)電能力；⑤是多層結(jié)構(gòu)及較大的比表面積利于電荷的密度，增強(qiáng)其導(dǎo)電能力。這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)促使Mxene（Ti3C2Tx）逐漸成為目前柔性傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
作者：小陳
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