MXene周报 | 电催化、生物医学、电阻传感器、储氢领域大综述

1. Coordination Chemistry Reviews ( IF 22.315 )：迈向高性能电催化剂：2D MXenes 基纳米材料用于水分解的活性优化策略

• 水分解被认为是实现绿色制氢的可持续和环保技术。然而，H2的产生燃料受限于缓慢的动力学和析氢和析氧反应的高过电位。寻找高效电催化剂以提高水分解性能至关重要。

• 在一大类纳米材料中，基于 MXenes 的纳米材料由于具有大的比表面积 (SSA)、快速的电子传输和出色的机械稳定性，可用作设计新型材料的优良基材。然而，这些突破还处于实验合成阶段，对催化机理的基本原理缺乏认识，严重阻碍了高效电催化剂的发展。因此，在电催化水分解中的进一步应用仍然需要澄清和解决一些挑战。

• 在本次审查中，总结了最近关于 MXenes 电催化水分解的合成路线、物理性质和性能改进策略的过程。我们从实验和理论上全面总结了 MXenes 的电催化水分解机理。还回顾了对构效关系的深入讨论以及对 MXenes 电催化机理的基本理解。最后，展望了 MXenes 及相关材料在水分解应用中的未来挑战、机遇和进一步的研究方向。

Figure 1. 

2. Advanced Functional Materials ( IF 18.808 )：MXene集成复合材料的生物医学应用：再生医学、感染治疗、癌症治疗和生物传感

• MXenes（即过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物）已成为2D材料的一个新的亚类。近年来，MXenes由于其优异的物理化学和生物学特性，在生物医学领域得到了广泛的关注，包括药物传递系统、再生医学和生物传感。此外，将MXenes掺入水凝胶作为一种电活性和机械纳米增强剂在生物医学工程中引起了极大的兴趣，这种纳米增强剂能够将非导电支架转化为优秀的导电体，对电活性器官和组织（如心脏、骨骼肌）的工程机械性能产生显著的影响，还有勇气。然而，许多问题仍然没有解决，需要回答这些问题才能引导这些2D材料走向真正的命运。

• 因此，本文旨在概述MXene集成复合材料在生物医学应用中的设计和应用，包括心脏组织工程、伤口愈合、感染治疗、癌症治疗和生物传感器。此外，还强调和讨论了目前在体内利用MXenes的挑战和局限性，并对其作为未来各种生物医学应用指南的前景进行了展望。这篇综述文章将启发研究人员，他们将探索在生物医学应用中使用这种2D纳米材料的特性、机会和挑战。

Figure 1. A) Fabrication of MXene-integrated composites. B) Representative of MXene-based nanocomposites.

Fig. 2. 

Fig. 5.

Fig. 18.

3.Advanced Functional Materials ( IF 18.808 ): MXene-聚合物杂化纳米复合材料作为高效空气质量监测的下一代高性能化学电阻器的出现

• 空气污染是全世界环境保护主义者最关心的问题之一，这提高了全球公众对监测空气污染和实施适当安全政策的健康关注。由于商用传感器缺乏较低的检测限、室温操作和较差的选择性，这些事实已经产生了探索可持续和平移策略的新的全球需求，这些策略是设计价格合理、智能化和小型化传感器所必需的。最先进的传感器致力于设计先进的纳米材料，以实现理想的传感性能。最近的研究表明，无论是原始金属碳化物/氮化物（MXenes）还是聚合物（P），都无法解决这些实际挑战。然而，混合纳米复合材料（MXP-HNC）等各种前体的协同组合已成为开发下一代智能环境、工业和生物医学传感器的优越传感材料。由于优化了物理化学和形态属性，如可调的层间距离、最佳孔隙度、增大的有效表面积、丰富的表面功能、机械柔性和可调的电导率，预期结果可能具有可操纵性。

• 本综述旨在全面总结最先进的MXP-HNC化学电阻器的进展。此外，还强调了潜在的传感现象、化学电阻结构及其监测性能。此外，还概述了MXP HNC作为集成物联网和人工智能的下一代智能现场部署传感器的挑战、潜在解决方案和前景。

Figure 2. 

Figure 3.

Figure 6. Timeline of development and advancement in various MXene fabrication strategies in past decade since its discovery in 2011 to 2021.

Figure 20. Air contaminant sensing performance of V2CTx based sensor

4. Nature Communications ( IF 14.919 ): 通过 MXene 衍生的氧化物微型机器人捕获和检测纳米塑料

纳米塑料污染是环境中塑料废物破碎的最终产物，由于其较小的尺寸更容易扩散和更高的危险，因此受到科学界越来越多的关注。因此，迫切需要有效的策略来量化和去除废水中的纳米塑料。这项工作展示了多功能 MXene 衍生氧化物微型机器人在三维 (3D) 空间中“动态”捕获纳米塑料及其进一步检测。采用热退火工艺将 Ti 3 C 2 T x MXene 转化为光催化多层 TiO 2，然后沉积 Pt 层并用磁性 γ-Fe 2 O进行装饰3纳米粒子。MXene 衍生的 γ-Fe 2 O 3 /Pt/TiO 2微型机器人显示出负光重力，在光照射下产生六自由度的强大无燃料运动。由于自推进和可编程 Zeta 电位的独特组合，微型机器人可以在其表面快速吸引和捕获纳米塑料，包括多层堆叠之间的狭缝，从而实现磁性收集。作为自运动预浓缩平台，它们可以使用低成本和便携式电极实现纳米塑料的电化学检测。这项概念验证研究为“现场”筛选水中的纳米塑料及其后续修复铺平了道路。

Fig. 1 Light-powered magnetic MXene-derived γ-Fe2O3/Pt/TiO2 microrobots trap and detect nanoplastics.

Fig. 4 Analysis of the MXene-derived γ-Fe2O3/Pt/TiO2 microrobots' 2D and 3D motion.

Fig. 7 Nanoplastics’ detection by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique after the preconcentration with the MXene-derived γFe2O3/Pt/TiO2 microrobots.

5. Small ( IF 13.281 )：具有由 MXenes 容纳的用于不对称超级电容器的新型两个水辅助质子通道的 POMCP

为了开发高性能超级电容器，负极目前被视为获得下一代储能设备最具挑战性的任务之一。因此，本研究采用简单的水热法设计并制备了一种基于多金属氧酸盐的配位聚合物[Zn（itmb）3H2O][H2SiW12O40]·5H2O（1），用于构建大容量负极。聚合物1有两个水辅助质子通道，有利于提高电导率和储存容量。然后，选择MXene-Ti3C2Tx容纳配位聚合物1作为层间间隔物，以提高1的电导率和循环稳定性，同时防止MXene的重新堆积。预期生产的复合电极1@Ti3C2Tx显示出极好的比电容（1480.1 F g−5 A g时为1−1） 和高速率性能（容量保持率为71.5%，从5到20 a g−1). 因此，使用1@Ti3C2Tx作为负极，celtuce将衍生碳纸作为正极，显示出32.2 Wh kg的超高能量密度−1，功率密度2397.5 W kg−分别为1。此外，点亮红色发光二极管几分钟的能力验证了其实际应用的可行性。

Figure 1. Structure of compound 1: a) basic crystallographic subunits I and II. b) Hydrogen-bonding interactions between chains. c) Layer architecture. d) 3D supramolecular architecture. H atoms are omitted for clarity

Fig. 4 

6. Chemical Engineering Journal ( IF 13.273 ) :基于湿纺 MXene/PAN 纤维衍生的多通道多孔 MXene/CF 负极和 NiCo2S4 电沉积 MXene/CF 正极的纤维状不对称超级电容器

纤维状超级电容器（FSSC）是下一代柔性和可穿戴微型电子设备的潜在电源。然而，由于有限的设计和纤维状电极生产的限制，FSSC的低能量密度阻碍了其实际应用。本文报道了湿纺MXene（Ti3C2Tx）/聚丙烯腈纤维的合理设计，其衍生的多通道多孔MXene/碳纤维（W-MX/CF）作为负极（负极），以及电沉积的超薄NiCo2S4 W-MX/CF(NiCo2S4@W-MX/CF）作为正极（正极），用于制造不对称FSSC。它显示了由80 wt.%MXene负载CF（W-MX/CF-4）制成的负极（CA=2160 mF cm-2）和正极（CA=1421 mF cm-2）具有优化的多通道多孔特性和在W-MX/CF-4上生长的法拉第NiCo2S4纳米片阵列的高面积电容。用NiCo2S4组装了固态纤维形状的不对称超级电容器-13@W-以PVA/KOH为固体电解质，MX-4和W-MX/CF-4分别作为正极和负极。在301.51 mW cm-3的功率密度下，该器件表现出40.70 mWh cm-3的显著能量密度，证明了FSSC的高效性。本研究显示了一种通过利用MXene和PAN衍生碳纤维之间的协同效应来提高FSSCs性能的新方法，该碳纤维是通过采用溶剂/非溶剂交换工艺的简易湿法纺丝方法制备的。

Scheme 1.

Figure 1.

7. Chemical Engineering Journal ( IF 13.273 ): 基于表面改性 Ti3C2Tx MXene 的双控药物释放系统工程协同多种癌症治疗

易于表面改性的 MXenes 因其高载药能力、多种药物释放模式和良好的生物相容性而被广泛研究为用于药物递送的纳米平台。在此，我们报告了 MXene@Au-PEG 药物递送平台的合成，该平台用于高负载的化学治疗性阿霉素 (DOX)，该平台具有近红外 (NIR) 激光触发和 pH 响应药物释放模式。由于通过 Au 纳米粒子 (Au NPs) 与 MXene 连接的硫醇聚乙二醇醛链 (SH-PEG-CHO) 进行表面修饰，MXene@Au-PEG-DOX 系统在体内显示出良好的光热稳定性、生物安全性和组织相容性和体外测试。此外，基于 Au 颗粒和 MXene 的良好光热转换能力，该系统在肿瘤治疗中表现出协同光热消融和化学疗法。MXene@Au-PEG 给药平台的被动靶向释放特性也增强了 DOX 在肿瘤部位的细胞摄取，从而提高了药物的效率。因此，所报道的具有高载药能力、多种药物释放模式和协同治疗的表面改性 MXene 基药物递送平台的制备策略，为基于 MXene 的纳米材料在癌症治疗中的潜在应用提供了有希望的证明。

Fig. 1. Schematic illustration of the synthesis process and function of MXene in cancer therapy.

Fig. 6. In vivo synergistic therapeutic effect of MXene@Au-PEG-DOX nanocomposites.

8. Nano Letters ( IF 11.189 ): 二维 MOene：从超导体到直接半导体和外尔费米子

具有直接带隙的半导体 MXene 数量极少；因此，非常希望将 MXene 系列扩展到碳化物和氮化物之外，以扩展所需的化学和物理特性。在这里，我们理论上报告了单层 (SL) 二氧化钛 2H-Ti 2 O MOene（类似 MXene 的 2D 过渡氧化物）的存在，显示出伊辛超导特性。此外，SL 卤代 2H- 和 1T-Ti 2 O 单分子层显示出可调谐的半导体特性和强大的光捕获能力。此外，外部应变可以通过2H-Ti 2 OF 2和Ti 2 OCl 2单分子层中的量子相变诱导Weyl费米子。具体来说，2H- 和 1T-Ti2 OF 2是带隙分别为 0.82 和 1.18 eV 的直接半导体。此外，SL 2H- 和1T-Ti 2 OF 2的载流子寿命分别被评估为0.39和2.8 ns。这项研究扩展了丰富的二维 MXene 类 MOene 材料家族中的新兴现象，为下一代光电和光伏领域提供了一个新平台。

Figure 1. Top (upper panel) and side (lower panel) views

Fig. 4. Imaginary part of the macroscopic polarizability

9. Journal of Hazardous Materials ( IF 10.588 ):1D/2D/2D CuCo2S4/CuS/Ti3C2 MXene 的三元异质结构：毒死蜱的增强电流传感

多组分异质 Ti 3 C 2过渡金属碳化物 (MXene) 基材料由于其有趣的协同相互作用和催化性能而受到广泛的研究关注。然而，由于复杂的合成过程，异质结构的形态可控合成作为 Ti 3 C 2 MXene 的结构稳定剂仍然是一个挑战。在这项工作中，一种三元异质纳米材料CuCo 2 S 4 /CuS/Ti 3 C 2具有纳米棒/纳米板/纳米片混合结构的 MXene 是通过一步低温溶剂热法构建的。精心设计的三元一维 (1D)/二维 (2D)/2D CuCo 2 S 4 /CuS/Ti 3 C 2 MXene 异质材料在电化学乙酰胆碱酯酶 (AChE) 生物传感器的底物催化反应中表现出协同改进。Nafion/AChE/CuCo 2 S 4 /CuS/Ti 3 C 2 MXene/GCE 生物传感器的 Michaelis-Menten 常数为 228 μM 比以前文献报道的要小，表明制造的酶生物传感器对乙酰硫代胆碱氯化物具有更高的亲和力。该生物传感器与毒死蜱浓度呈良好的线性关系，范围从2.852×10 -12  M到2.852×10 -6  M。多组分1D/2D/2D CuCo 2 S 4 /CuS/Ti 3 C 2 MXene异质材料可以发光在更多的电化学应用中。

Scheme 1.

10. Applied Materials Today ( IF 10.041 ) :用于镁基氢化物的 MXenes：综述

在过去的几十年里，由于环境污染的加剧和不可再生能源的枯竭，氢燃料被认为是可再生能源的主要替代来源。因此，需要高效地生产和储存氢气，因此有必要开发几种储氢技术和材料，以实现设想的氢经济。由于镁氢化物（MgH2）的重量和体积氢容量分别高达约7.6 wt%和111 g/L，固态储氢显示出巨大的潜力。然而，MgH2作为商业氢燃料广泛应用的瓶颈是，由于热力学稳定性（约76 kJ/mol-H2），输送温度要求约为300-400°C，以及氢脱/吸收动力学缓慢。纳米结构和催化被认为是最有前景的MgH2改性策略。用纳米材料掺杂MgH2可以降低输送温度，使其更接近商业应用。最近，MXenes（一组由过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物层组成的二维纳米材料）显示出储氢和增强轻质金属氢化物尤其是MgH2析氢反应的双重作用。因此，这篇综述文章对MXenes及其作为潜在储氢材料和增强MgH2氢反应的功能添加剂的最新应用提供了明确的见解，并对其前景进行了展望。

Fig. 1. The different methods of storing hydrogen.

北科纳米专业从事MXene和MAX相材料、黑磷、石墨炔等二维纳米材料的定制和服务。

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