MXene/铜合金复合材料的制备与性能研究

采用分子级混合方法及SPS烧结技术制备了Ti₃C₂T_x含量分别为5vol%、10vol%和20vol%的Cu/Ti₃C₂T_x复合材料, 研究了Ti₃C₂T_x含量对铜基复合材料的导电性、力学性能及摩擦磨损性能的影响。研究发现: 随Ti₃C₂T_x含量增加, Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的相对密度及电导率均持续下降, 拉伸强度则先升高后下降; 当Ti₃C₂T_x含量为5vol%时, Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的拉伸强度相比纯铜提高了43%。添加Ti₃C₂T_x可以明显改善Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的摩擦磨损性能, 当Ti₃C₂T_x含量为10vol%时, Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的磨损率仅为2.55×10^-7 mm³/(N·m), 比纯铜降低了一个数量级。     

TiO2/Ti3C2Tx复合材料的制备及其杂化电容脱盐特性的研究

人口的快速增长和工业经济迅猛发展导致全球淡水资源短缺, 对海水和苦咸水进行淡化是解决淡水资源短缺的有效方法。本工作通过直接煅烧Ti₃C₂T_x制备了TiO₂/Ti₃C₂T_x复合材料, 并研究了基于TiO₂/Ti₃C₂T_x复合电极的杂化电容脱盐特性(Hybrid capacitive deionization, HCDI)。研究表明, 煅烧温度对TiO₂/Ti₃C₂T_x的形貌、结构、电化学和脱盐特性有重要影响。以优化后的TiO₂/Ti₃C₂T_x作为负极, 酸化活性炭(Active carbon, AC)为正极, 构筑了HCDI装置。在恒压模式下, 当工作电压为1.2 V时, TiO₂/Ti₃C₂T_x‖AC在初始电导率为3000 μS·cm ^-1的NaCl溶液中的脱盐容量达到23.8 mg·g ^-1。经过20个循环后容量保持率为78%。此外, 通过研究TiO₂/Ti₃C₂T_x复合电极脱盐前后的形貌和晶相发现在脱盐过程中钠离子嵌入到Ti₃C₂T_x的层间。     

不同横向尺寸单层Ti3C2Tx纳米片的制备及其电化学性能研究

近年来, 一种新型二维过渡金属碳化物及氮化物(MXene)凭借大的比表面积、良好的亲水性、金属导电性等物理化学性质而广受关注。通过LiF和HCl刻蚀Ti₃AlC₂的Al层, 改变机械剥离强度和方式, 以及离心速率和时间, 可控制备出平均横向尺寸为625 和2562 nm的单层Ti₃C₂T_x型MXene。借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对二维Ti₃C₂T_x进行形貌、结构和成分的表征。使用电化学工作站表征Ti₃C₂T_x的电化学性能。结果表明: 小片层Ti₃C₂T_x(625 nm)的质量比电容高达561.9 F/g, 远高于文献报道的石墨烯、碳纳米管和二氧化锰等电极材料; Ti₃C₂T_x电极在循环测试10 ⁴次后, 其比电容仍保持初始96%的容量。     

碱化插层二维过渡金属碳化物的制备及其对铀酰离子的电化学检测

二维过渡金属碳化物(MXenes)具有良好的电化学性能与辐照稳定性, 其在放射性核素电化学检测领域有潜在应用价值。本研究通过碱活化的方式处理碳化钛型MXene(Ti₃C₂T_x), 随后将钾插层的Ti₃C₂T_x(K-Ti₃C₂T_x)负载到玻碳电极(GCE)上得到K-Ti₃C₂T_x/GCE修饰电极。采用XRD、SEM、XPS等手段分别对Ti₃C₂T_x和K-Ti₃C₂T_x进行分析表征, 并进一步研究了K-Ti₃C₂T_x/GCE对痕量铀酰离子(UO₂²⁺)的电化学检测性能。循环伏安(CV)实验结果表明, 相比于GCE电极, K-Ti₃C₂T_x/GCE修饰电极对UO₂²⁺的电化学响应显著增强。进一步使用差分脉冲伏安法(DPV)扫描, 发现pH=4.0时, K-Ti₃C₂T_x/GCE修饰电极对UO₂²⁺在铀浓度0.5~10 mg/L范围内呈现良好的线性检测关系, 本方法的检测限为0.083 mg/L(S/N=3), 稳定性和重复性好。     

Ti3AlC2陶瓷及其衍生物Ti3C2Tx增强的Ag基电接触材料

银基电触头在低压开关领域扮演重要角色。作为一种具有良好导电导热性能的新型二维碳化物材料,MXene家族典型代表材料(Ti₃C₂T_x)在多个领域显示出极大的应用潜力。Ti₃C₂T_x有望作为一种新型环保银基电触头增强相材料。本研究采用粉末冶金法制备了Ag/Ti₃C₂T_x复合材料,并对Ti₃C₂T_x和Ti₃AlC₂的物相和微观结构进行表征。同时研究了Ti₃C₂T_x增强Ag基复合材料的综合性能,包括电阻率、显微硬度、机械加工性能、抗拉强度和抗电弧侵蚀性能,并与Ti₃AlC₂增强Ag基复合材料进行了比较。Ag/Ti₃C₂T_x的电阻率(30×10 ^-3 μΩ·m)相对于Ag/Ti₃AlC₂(42×10 ^-3 μΩ·m)降低了29%。Ag/Ti₃C₂T_x硬度适中(64 HV),具有良好的可加工性,作为无毒电触头材料应用前景广阔。Ag/Ti₃C₂T_x复合材料导电性能的提高主要归因于Ti₃C₂T_x本身优异的金属性以及由Ti₃C₂T_x微观结构特征带来的可变形性。由于缺乏Al-Ag相互扩散,Ag/Ti₃C₂T_x复合材料的拉伸强度(32.77 MPa)明显低于Ag/Ti₃AlC₂复合材料(145.52 MPa)。正因为缺失Al层,Ag/Ti₃C₂T_x的抗电弧侵蚀性能也无法与Ag/Ti₃AlC₂相媲美。尽管Ag/Ti₃C₂T_x的抗电弧侵蚀性能有待进一步提高,但优异的导电性使其有望替代当下有毒的Ag/CdO电接触材料。该研究结果为开发新型环保电触头材料提供了新的探索方向。     

二氧化锰形貌对Ti3C2Tx@MnO2复合材料电化学性能的影响

以聚多巴胺(PDA)修饰的Ti₃C₂T_x为基体, 高锰酸钾(KMnO₄)为锰源, 十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚乙二醇(PEG)为表面活性剂, 采用液相共沉淀法及水热法, 制备出四种不同形貌的Ti₃C₂T_x@MnO₂复合材料。通过FE-SEM、XRD、Raman、FT-IR、BET及电化学测试, 系统研究了纳米碎片状(δ-MnO₂)、米粒状(α-MnO₂)、纳米花球状(α-MnO₂)以及纳米线状二氧化锰(α-MnO₂)对Ti₃C₂T_x物相结构、电化学活性和电荷存储机理的影响。结果表明: 纳米线状MnO₂复合改性的Ti₃C₂T_x比表面积最大、电荷转移阻抗最小且循环稳定性最优, 在扫描速率为2 mV?s ^-1时的比容量达340.9 F?g ^-1, 比使用CTAB时高出近2.5倍。     

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。     

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。     

超声沉淀法制备Ti3C2/BiOI复合材料及其可见光催化性能

为提高BiOI在可见光下的光催化性能,采用氟化氢铵蚀刻碳钛化铝得到氧封端的Ti₃C₂,以五水合硝酸铋为铋源,碘化钾为碘源,利用超声沉淀法合成Ti₃C₂/BiOI复合材料。通过XRD、SEM、UV-vis、FTIR、EIS、I-t、PL等手段对材料的组成、形貌、结构、光吸收、电化学阻抗、瞬态光电流响应、光谱响应等方面进行表征和测试。以甲基橙(MO)为目标污染物,模拟可见光照射下研究Ti₃C₂/BiOI复合材料的光催化性能。结果表明：BiOI成功负载到Ti₃C₂上,在模拟太阳光照射下,Ti₃C₂/BiOI复合材料表现出较高的光催化降解能力。其中Ti₃C₂质量分数为6wt%的Ti₃C₂/BiOI复合粉的光催化效率最高,在光照0.5 h后降解率达到91.6%,较纯BiOI提高4.5倍。氧封端...     

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。     

碳化钛/椴木多孔碳复合材料用于超级电容器性能的研究

碳化钛作为一种新兴的层状二维材料具有一些独特的物理化学性质, 近年来引起了科研工作者广泛的注意。它是由化学选择性刻蚀的方法获得, 在电化学如锂电池, 超级电容器等领域展现出极好的应用前景。目前研究中碳化钛的电极往往活性物质负载量较低, 导致面容量不佳, 从而限制了其在大规模生产中的应用。本工作受自然界中椴木结构的启发, 利用其多孔道、孔道弯曲度低、导电性好、低价环保等特点, 将碳化钛与椴木活性炭复合, 获得了一种具有高面电容且稳定的超级电容器, 该电容器在2 mV/s的扫速下具有1983 mF/cm ²的面容量, 同时活性材料负载量可以达到17.9 mg/cm ²。本研究为后续利用自然界构型材料与功能材料的复合提供了一定的借鉴。     

Cu/Ti3SiC2体系润湿性及润湿过程的研究

采用座滴法研究了温度及Ti₃SiC₂的两个组成元素Si和Ti对Cu/Ti₃SiC₂体系润湿性的影响。结果表明, Cu与Ti₃SiC₂之间有良好的润湿性, 且润湿过程属于反应性润湿。随着温度的升高, Cu与Ti₃SiC₂间的反应区扩大, 反应层深度增加, 润湿角减小, 温度超过1250℃后反应明显加快, 至1270℃时润湿角降至15.1°。物相分析与微观结构研究表明, Cu/Ti₃SiC₂界面区域发生了化学反应, 反应产物主要为TiC_x和Cu_xSi_y, 同时发生元素的互扩散, 形成反应中间层, 改变体系的界面结构, 促进了Cu和Ti₃SiC₂基体的界面结合, 从而改善了体系的润湿性。在Cu中添加Si抑制了Ti₃SiC₂的分解, 而添加Ti阻碍了Cu向Ti₃SiC₂的渗入, 均不利于Cu/Ti₃SiC₂体系润湿性的改善。     

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%。     

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。