超级电容器电极用Ti3C2Tx基复合材料的研究进展

碳化钛(Ti₃C₂T_x)作为一种MXene材料，具有独特的结构和优良的导电性、稳定性以及优越的电化学性能，常被用作超级电容器电极材料。本文结合碳化钛(Ti₃C₂T_x)材料层状结构的特性，梳理了超级电容器电极用Ti₃C₂T_x基复合材料的研究进展，重点阐述了Ti₃C₂T_x材料的结构、性能、制备以及通过不同技术手段与多类材料复合后的电化学性能；归纳了Ti₃C₂T_x基复合材料性能提升的原因，包括增大层间距、提供更多活性位点、提高坚韧性等；最后指出Ti₃C₂T_x基复合材料的未来研究重点，如探究新的基体母相、丰富刻蚀方法、改进现有复合材料、探究更多更高效的复合材料等。     

Fe3O4负载Ti3C2Tx对Pb(Ⅱ)的吸附性能研究

Ti₃C₂T_x MXene材料具有二维层状结构及丰富的表面官能团,是一种非常有潜力的重金属离子吸附材料,但其层间距较小,且在水溶液中的稳定性较差。本工作探索了Ti₃C₂T_x的改性策略,提高其化学稳定性与离子吸附容量,利用一步水热方法制备出不同Fe₃O₄掺杂量的Fe₃O₄-Ti₃C₂T_x(FeMX)复合吸附剂材料。研究结果表明：FeMX吸附剂对Pb(Ⅱ)的理论饱和吸附量可达到210.54 mg/g。研究进一步揭示了FeMX材料对Pb(Ⅱ)离子的吸附机理,Fe₃O₄纳米颗粒均匀分散、插层在Ti₃C₂T_x纳米片层间,有效增加了Ti₃C₂T_x     

Ti3C2Tx MXene/聚乙烯醇复合材料的介电性能

以二维过渡金属碳化物Ti₃C₂T_x MXene作为填料,非铁电、可生物降解的高分子物质聚乙烯醇(PVA)作为基体,通过溶液涂膜法制备了具有高介电常数的Ti₃C₂T_x MXene/PVA柔性复合材料。研究了Ti₃C₂T_x MXene充填量对复合材料介电性能的影响。Ti₃C₂T_x MXene/PVA复合材料的介电性能变化遵循逾渗规律,随着Ti₃C₂T_x MXene充填量的增加,Ti₃C₂T_x MXene/PVA复合材料的介电常数呈先增加后减小的变化规律,Ti₃C₂T_x MXene充填量为20wt%的Ti₃C₂T_x MXene/PVA复合材料介电常数在20 Hz时高达577.3,比纯PVA的介电常数(10.5)提升了5 398%。但是,当Ti₃C₂T_x MXene充填量超过20wt%后,Ti₃C₂T_x MXene/PVA复合材料的介电常数急剧下降,介电损耗快速上升,表现出明显的逾渗行为。      

Ti3C2TxMXene材料的制备、组装及应用研究进展

Ti₃C₂T_xMXene是具有高导电性、较好的力学性能及高比电容等特性的新型二维结构过渡金属碳化物,在储能、传感、催化、膜分离、微波吸收及电磁屏蔽等领域具有巨大的应用前景。但单层二维材料在纳米尺度上的性能不易真正被人们所用,因此必须将其组装成宏观材料,如一维纤维、二维薄膜及三维气凝胶。对于Ti₃C₂T_x的宏观组装及其应用研究也取得了一定的成果与进展。本文综合评述了目前Ti₃C₂T_x的制备方法、宏观Ti₃C₂T_x基材料的组装方法及其相关应用进展,介绍了国内外Ti₃C₂T_x的研究现状和实际应用中的研究成果,总结了Ti₃C₂T_x在制备、组装及应用过程中的不足,并展望了未来的发展趋势。     

磺酸基改性二维Ti3C2Tx纳米材料制备与Pb2+吸附性能

对二维Ti₃C₂T_x材料进行了磺酸基团接枝改性(Ti₃C₂T_x—SO₃H),表征了改性前后微观结构的变化,研究了对重金属Pb2+的吸附行为与机制。XRD、FTIR及EDS表明磺酸基团在Ti₃C₂T_x表面成功接枝,而SEM则发现Ti₃C₂T_x?SO₃H呈现较Ti₃C₂T_x更轻薄的层状结构。改性后,Ti₃C₂T_x—SO₃H对重金属Pb2+20 min内达到吸附平衡,最大吸附量达到733.6 mg·g?1,较Ti₃C₂T_x吸附量提升了23%,且吸附量随着pH(2~6)的增加而逐渐增大,在Mg2+、Ca2+、Co2+、Zn2+等共存离子的干扰下,仍保持较高的吸附水平。机制分析表明,改性前后吸附过程均符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线拟合模型,以单分子层化学吸附为主,但由于磺酸基团提供了更多的吸附饱和活性位点,并提高了Ti₃C₂T_x在水溶液中的分散性,使改性后对Pb2+吸附性能更优异。      

Ti3C2Tx/聚酰亚胺复合材料的制备及性能

为了改善聚酰亚胺（PI）的热学性能和冲击断裂强度、弯曲强度和硬度等力学性能,通过液相刻蚀三元层状陶瓷Ti₃AlC₂制备了二维层状结构纳米Ti₃C₂T_x,利用XRD、FE-SEM对产物进行了物相分析和微观结构表征;采用湿法球磨和热压成型法制备了不同Ti₃C₂T_x含量的Ti₃C₂T_x/PI复合材料,考察了Ti₃C₂T_x对复合材料热学性能、冲击断裂强度、弯曲强度和硬度等的影响,并分析了断面形貌。结果表明,所制备的Ti₃C₂T_x为纳米片层结构,片层厚度为20~50 nm,片层堆叠;二维Ti₃C₂T_x在PI基体中分散均匀,且固化过程中PI进入Ti₃C₂T_x层间提高了二者之间的结合力,使界面结合良好;Ti₃C₂T_x纳米片的添加提高了PI的玻璃化转变温度并改善了基体的冲击断裂强度、弯曲强度和硬度等,当Ti₃C₂T_x添加量为0.25wt%时,Ti₃C₂T_x/PI复合材料的玻璃化转变温度提高了17℃,冲击断裂强度提高了31%。     

碳化钛-二氧化锰/热塑性聚氨酯纳米复合材料的制备及阻燃性能

热塑性聚氨酯(TPU)具有优良的性能,现已广泛应用于生产生活的各个领域。但该材料是一种有机高分子材料,具有高度易燃性,且燃烧时会发生熔融滴落现象,同时产生大量CO、CO₂、NOx等有毒、窒息性气体,限制了TPU的应用。将层状碳化钛(Ti₃C₂T_x)与二氧化锰(MnO₂)通过界面调控技术制备为MXene(一类二维无机化合物,碳化钛是其中的一种)基杂化阻燃剂(Ti₃C₂T_x-MnO₂),然后再引入TPU材料形成MXene/TPU基杂化物纳米复合材料(Ti₃C₂T_x-MnO₂/TPU),利用TGA、XRD、SEM等进行检测。结果显示,在Ti₃C₂T_x-MnO₂/TPU纳米复合材料中,700℃时炭渣含量最大程度提高91.89%...     

表面端基卤化Ti3C2 MXene应用于锂离子电池高容量电极材料的研究

Mxenes以其优异的比表面积、高导电率和组分可调性而受到广泛研究,并用作高效锂离子电池的电极材料。然而,其有限的存储容量以及锂离子扩散引起的剧烈晶格膨胀限制了MXenes作为电极材料的应用。本研究设计了具有代表性的MXene材料卤化(氟化、氯化或溴化)–Ti₃C₂。采用基于密度泛函理论的范德瓦耳斯修正的第一性原理计算方法研究了表面端基(T=F~–、Cl~–和Br~–)修饰对锂离子电池中Ti3C2负极的原子结构、电学性质、力学性质以及电化学性能的影响。研究表明, Ti₃C₂T₂单层具有良好的结构稳定性、力学性质和导电性质。相比Ti₃C₂F₂和Ti₃C₂Br₂,Ti₃C₂Cl₂单层具有较大的弹性模量(沿二维薄膜两个方向的弹性模量分别为321.70和329.43 N/m)、较低的锂离子扩...     

Ti3C2TX MXenes材料在超级电容器中的应用研究进展

近年来人们对储能设备的需求加大,超级电容器因其优异的性能而受到研究者青睐。二维过渡MXenes材料是一种类似于石墨烯的二维片层材料,具有独特的结构和丰富的官能团,其中Ti₃C₂T_X MXenes材料因其具有优异的导电性、高比面积和高比电容等优点而被广泛用作超级电容器电极材料。然而,Ti₃C₂T_X材料存在易氧化和自堆叠等问题,作为电极材料需要对其性能进行改性和优化。本文主要介绍了Ti₃C₂TX材料常用的制备方法(如HF刻蚀、氟化盐刻蚀、碱刻蚀、电化学刻蚀等)及Ti₃C₂TX在超级电容器应用过程的性能改性研究现状,包括构建Ti₃C₂T_X多孔结构、进行表面修饰及制备Ti₃C₂T_X复合电极,并展望了Ti₃C₂     

卤族酸液刻蚀制备Ti3C2TxMXene及性能研究

Ti₃C₂T_x基于其金属导电性和表面可调性，被广泛被应用于能量转换与存储领域。通过对比研究盐酸、氢氟酸、氢溴酸及各种酸液组合对Ti₃AlC₂刻蚀产物Ti₃C₂的物相、形貌及电化学性能的影响，探索各卤族酸对Ti₃AlC₂的刻蚀机理。实验结果表明，HCl+HF+H₂O混合酸液在60℃下对Ti₃AlC₂刻蚀结果较佳，刻蚀产物Ti₃C₂T_x的纯度较高，底液具有类手风琴状；上清液为薄片状，且具有较好的韧性和丁达尔光学效应。通过结合氢氟酸的强腐蚀和盐酸的强酸，在考虑安全与环保的前提下，制备出的Ti₃C₂T_x纯度高，电化学性能好。     

高比容少层MXene Ti3C2 的制备及其超级电容性能

采用微波辅助选择性刻蚀技术制备了原子层间距为1.28 nm的少层Ti₃C₂,其质量比电容为377.64 F/g,比多层Ti₃C₂提高了154.27%。对两种Ti₃C₂电化学储能过程的动力学分析结果表明,少层Ti₃C₂的电荷存储主要是表面电容的贡献,其贡献率为76.28%。     

宏量制备层状Ti3C2及其超级电容的性能

将钛粉、铝粉、石墨粉和少量锡粉混合,用原位烧结技术宏量制备高纯度前驱体材料Ti₃AlC₂,再以浓氢氟酸为刻蚀剂进行选择性刻蚀,改变刻蚀时间宏量制备出层间距可调节的层状剥离Ti₃C₂。使用X射线衍射和场发射扫描电子显微镜分别表征了Ti₃AlC₂和Ti₃C₂的结构和层间距微观形貌,并对用Ti₃C₂制成的电极进行了电化学性能测试分析。结果表明,相比其它在相同条件下制备的电极其比容量大幅度提高,且具有良好的超级电容性能。     

Ti3C2Tx/Fe3O4纳米复合材料的吸波和电磁屏蔽性能与机制

在电磁屏蔽领域,铁氧体是常用的涂覆型吸波剂,但以Fe₃O₄为首的铁氧体存在一些不足。本研究采用冷冻干燥的方法成功制备了花苞状Ti₃C₂T_x/Fe₃O₄复合材料,Ti₃C₂T_x/Fe₃O₄复合材料的花苞状结构对电磁波的多重反射、界面极化和电磁耦合作用等使复合材料具有更好的微波吸收性能。当频率为6.74 GHz时,最小反射损耗达到-51.41 dB,对应的匹配厚度为2.8 mm,这意味着它可以吸收99.999 28%的电磁波。本研究中特殊的花苞状Ti₃C₂T_x/Fe₃O₄复合材料表现出优异的吸波性能,在电磁屏蔽领域具有良好的应用前景。     

SnO2@Ti3C2Tx 负极材料的制备及其应用

通过超声辅助和低温热处理在二维Ti₃C₂T_x 纳米片层间原位生长SnO₂纳米颗粒,制备出纳米结构的SnO₂@Ti₃C₂T_x 复合材料。使用X射线衍射、X射线光电子能谱和高分辨透射电子显微镜等手段对其表征,研究了这种材料的结构和性能。结果表明,SnO₂纳米粒子密集分布在Ti₃C₂T_x 片层表面与片层之间,Ti₃C₂T_x 纳米薄片突出的限制效应和良好的类石墨层状结构抑制了SnO₂纳米粒子的体积膨胀和团聚,加速了锂离子和电子的跃迁。同时,嵌入在片层之间的SnO₂纳米粒子防止纳米片层在锂插入/脱出过程中重新堆积,使Ti₃C₂T_x 基体的纵向结构稳定性提高。SnO₂@Ti₃C₂T_x 复合材料两组分之间的协同效应,使其具有良好的倍率性能与长循环性能。     

基于具孔型Ti3C2Tx的CNT复合纤维电极及性能

利用片层状Ti₃C₂T_x和管状CNT的材料特点,达到相互抑制自堆叠的作用。为进一步增加纤维内的离子通道,通过湿法纺丝将CNT与具有表面中孔结构的Ti₃C₂T_x纺成复合纤维,并将其作为超级电容器的电极材料。结果表明,p-Ti₃C₂T_x/CNT纤维具有良好的电化学性能,在5 mV/s的扫描速率下,纤维电极具有167.9 F/cm³的体积比电容。组装成对称型纤维超级电容器时,在电流密度为0.2 A/cm³下体积比电容为107.6 F/cm³。在电流密度为1 A/cm³时经过10 000次充放电循环后,比电容保持率可达到88.3%,并且在不同弯曲状态下也能表现出良好的电化学性能。     

基于Ti_(3)C_(2)T_(x)材料在钠离子电池中的应用进展EI北大核心

MXene由于具有独特的层状结构、高电子导电性和丰富的表面化学特性,在储能、电磁干扰屏蔽、催化、医药等方面有广泛的应用前景。Ti_(3)C_(2)T_(x)作为最早发现的MXene材料,其固有的金属导电特征、宽层间距和丰富的表面官能团,引起了钠离子电池领域研究人员的关注。本文综述了近年来Ti_(3)C_(2)T_(x)基材料在钠离子电池中的研究进展。首先从Ti_(3)C_(2)T_(x)材料的制备展开,概述多层和少层两类Ti_(3)C_(2)T_(x)材料的结构与电化学特性。随后结合研究的应用趋势,总结两类Ti_(3)C_(2)T_(x)材料的层间距改性、掺杂改性、形貌调控等手段对其储钠行为的影响。同时也分析了两类Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合材料应用于钠离子电池负极的结构设计思路,指出合理的结构设计对电池性能至关重要。最后对Ti_(3)C_(2)T_(x)基复合材料在钠离子电池领域中面临的问题和挑战提出了一些建议。     

过渡金属碳化物Ti3C2Tx的制备及其电磁屏蔽性能研究

二维过渡金属碳化物(MXene)具有优异的导电性、良好的柔韧性和亲水性等特点，其中Ti₃C₂Tx在电磁波屏蔽领域研究广泛。Ti₃C₂Tx是通过选择性刻蚀MAX相Ti₃AlC₂中Al元素后进一步剥离得到，因此刻蚀和剥离工艺直接决定了Ti₃C₂Tx的物化性质。采用LiF/HCl选择性刻蚀前驱体Ti₃AlC₂,优化刻蚀时间和剥离时间，制备了单/少层Ti₃C₂Tx。通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)等对Ti₃C₂Tx表面形貌、化学组成进行表征，并通过矢量网络分析仪(VNA)和四探针测试仪等研究了Ti₃C₂Tx的电磁屏蔽效能及导电性能。结果表明，采用LiF/HCl选择性刻蚀法能够有效制备单...     

碳纳米管复合二维碳化钛负载钯粒子电催化性能研究

为提高Ti₃C₂的层间距及电催化性能, 利用碳纳米管(CNT)进行层间微结构调控。Ti₃AlC₂经HF化学刻蚀法获得层状Ti₃C₂, 再以羟基化碳纳米管(CNT)以及次氯钯酸钾(K₂PdCl₄)为原料, 通过超声分散和溶剂热法将贵金属Pd粒子负载到Ti₃C₂-CNT上, 制得直接甲醇电池阳极催化剂材料Pd/Ti₃C₂-CNT。采用X射线衍射、扫描电镜以及光电子衍射对样品的形貌和结构进行表征, 考察了CNT对Ti₃C₂层间微结构的调整效果; 采用循环伏安法、计时电流法以及交流阻抗图谱研究了Pd/Ti₃C₂-CNT复合催化剂在酸性、碱性溶液中对甲酸、甲醇的电催化性能。结果表明, 复合材料中CNT对Ti₃C₂有插层作用, 建立了“桥联”效果, 有利于催化剂载体电子传输, 进而提高了Pd/Ti₃C₂-CNT的电催化性能。     

Room-Temperature Assembled MXene-Based Aerogels for High Mass-Loading Sodium-Ion Storage

Low-temperature assembly of MXene nanosheets into three-dimensional(3D) robust aerogels addresses the crucial stability concern of the nano-building blocks during the fabrication process,which is of key importance for transforming the fascinating properties at the nanoscale into the macroscopic scale for practical applications.Herein,suitable cross-linking agents(amino-propyltriethoxysilane,Mn²⁺,Fe²⁺,Zn²⁺,and Co²⁺) as interfacial mediators to engineer the interlayer interactions are reported to realize the graphene oxide(GO)-assisted assembly of Ti₃C₂T_x MXene aerogel at room temperature.This elaborate aerogel construction not only suppresses the oxidation degradation of Ti₃C₂T_x but also generates porous aerogels with a high Ti₃C₂T_x content(87 wt%) and robustness,thereby guaranteeing the functional accessibility of Ti₃C₂T_x nanosheets and operational reliability as integrated functional materials.In combination with a further sulfur modification,the Ti₃C₂T_x aerogel electrode shows promising electrochemical performances as the freestanding anode for sodium-ion storage.Even at an ultrahigh loading mass of 12.3 mg cm^-2,a pronounced areal capacity of 1.26 mAh cm^-2 at a current density of 0.1 A g^-1 has been achieved,which is of practical significance.This work conceptually suggests a new way to exert the utmost surface functionalities of MXenes in 3D monolithic form and can be an inspiring scaffold to promote the application of MXenes in different areas.     

Ti3C2系MXene原位制备方法的研究及其二维膜的结构调控

作为具有代表性的二维纳米材料之一,MXene通过层层堆叠可以构建具有分子筛分通道的新型二维分离膜。利用氟化锂/盐酸原位生成氢氟酸的方法,系统地研究了刻蚀液浓度对碳化钛(Ti₃C₂)系MXene纳米片结构的影响,并利用热处理探究了MXene二维膜的结构演变。结果表明,当刻蚀剂中F^-的摩尔质量是Al³⁺的7倍及以上时,能获得较好的单层MXene,且纳米片层之间的层间距随着刻蚀剂中F^-浓度的提高而增大;利用热自交联反应,可以在增强纳米片层与片层之间作用力的同时,改变纳米片的层间距。