宁波材料所二维碳化物杂化材料研究取得进展

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二维层状过渡金属碳化物纳米片（MXenes）是近年来发现的一种新型低维结构材料。它们可以通过对MAX相中A层原子的选择性溶解，在室温或者略高于室温环境中获得。目前已知的MXenes主要有Ti2CTx、V2CTx、Nb2CTx、(Ti0.5, Nb0.5)2CTx、Ti3C2Tx、Ti3CNTx、(V0.5, Cr0.5)3C2Tx、Ta4C3Tx和Nb4C3Tx，它们都是由A位是Al的MAX相经HF酸或者NH4HF2溶液处理得到的。因此，这些片层上通常带有O、OH、F或者NH3、NH4+等基团，可以用Mn+1XnTx（T指表面基团）来表示。通过对化学元素（M、X）、化学计量比（n）、表面基团（Tx）的调整，MXenes展现出其独特优异的性能，比如拥有巨大的比表面积、良好的亲水性能以及比原材料MAX相更好的导电性等等。MXenes潜在的应用研究主要集中在能量转换材料上，比如作为锂离子电池和超级电容器的电极材料，具有较高的比电容和体积电容；也可作为在燃料电池中Pt纳米颗粒（Pt NPs）的固相载体。此外，MXenes巨大的比表面积使其可以非常容易地吸附重金属离子以达到净化水质的目的，将MXenes制成透明导电膜后其温敏电阻和负磁致电阻等效应使其在电子、光子、传感器领域具有潜在的应用前景。 　　 V2CTx属于MXenes材料中的一种典型二维材料，其晶格常数c值的增加（V2AlC的c值为13.83 Å，V2CTx的c值为19.73 Å 或 23.96 Å）是目前已知的MXenes中最大的，因此V2CTx层间能够容纳更多更大的离子或分子。比如作为锂离子电池的电极材料，V2CTx在充放电速率为1C和10C时，电容量分别高达280mAhg-1和125mAhg-1，这在所有已知的Mxenes中是最优异的。考虑到有机材料的智能响应性，导电型MXenes无机材料与有机材料杂化将开拓更广阔的应用空间。多重刺激响应高分子因其在复杂环境中能对两种或者更多的外界条件做到协同可控响应而受到越来越多的关注。
　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所结构与功能一体化团队与智能高分子材料团队合作，将V2C与具有某些特殊基团高分子PDMAEMA复合获得了一种CO2-温度双重响应的智能材料（如图1）。这种V2C@PDMAEMA复合材料的水溶液存在一个低临界溶液温度（LCST），因此溶液的透光率能够随着温度的交替变化发生可逆变化（如图2）。表现为25℃时溶液透光率很低，这是由于复合材料中的高分子该状态下处于相对舒展的形态，使得V2C@PDMAEMA能够良好地分散在水中；而45℃时高分子会发生收缩，并与V2C形成非水溶性颗粒从而形成沉降，因此该体系上清液的透光率就变高了。随着温度的下降高分子的形态重新展开，使得V2C@PDMAEMA又一次能够在水中均匀分散，因此这是一个可逆的过程，显示出智能响应高分子对于二维无机材料分散状态的调控，从而有可能增加MXenes潜在应用中性能的调谐性。
　　此外，V2C良好的导电性，使得V2C@PDMAEMA对CO2-温度双重响应能够在电导率更加容易地体现。在温度由25℃和65℃之间转变时，V2C@PDMAEMA水溶液的电导率从125μS cm?1到225μS cm?1间发生可逆变化，这个变化幅度比纯水要大得多(如图3(a))。CO2和N2的交替鼓入也能使V2C@PDMAEMA水溶液的电导率发生可逆响应。因此该实验表明通过对电导率的测定，V2C@PDMAEMA可以有助于监测体系中温度和CO2的浓度，视为一种良好的传感器材料。
　　该工作近期已发表于国际化学刊物Chemical Communications(DOI:10.1039/C4CC07220K)。　　消息 http://www.sic.ac.cn/xwzx/kjxx/201412/t20141222_4279696.html