一种水辅助“可焊接”的MXene膜

研究摘要

作为2D MXene纳米片极其重要的宏观结构，MXene（Ti3C2Tx）膜在很多领域中展示出了巨大的商业价值。然而，目前很难通过直接使用MXene膜作为基本材料构筑多尺度的复合结构。近日，哈尔滨工业大学Yuyan Liu与Zhimin Fan教授研究团队在《Matter》上发表最新研究成果，发现了一种基于时间敏感的水环境中MXene膜“焊接”现象。MXene膜可以在时间敏感过程中实现相互连接。为了充分发挥这种特殊的焊接特性，将其用于湿度响应的驱动器与有利于电解液离子快速扩散的MXene电极，具有优异的性能。该工作证明MXene膜与其他金属或功能材料具有同等的应用潜力，是推进2D材料实际应用进程的里程碑。

图文导读

图1. 焊接MXene膜的合成过程、物相表征与力学性能测试。

图2. 基于MXene膜的焊接过程所构造的多尺度MXene复合结构。

MXene膜的焊接性质

MXene膜可以很轻易地进行焊接进而形成复杂的结构与形状，这也意味着焊接过程中与水接触时结构有被再次破坏的危险。那这是否意味着焊接MXene在实际应用当中会有此受到一定的限制或完全不可用呢？有趣的是，研究人员发现，实际上MXene膜的焊接过程与时间紧密相关。新制备的MXene膜可以自由地相互连接，但是其焊接能力在室温下暴露10天左右就会逐渐消失。利用这一点，在一定的时间内将MXene膜焊接，以保证焊接后MXene膜的稳定性。

需要指出的是，MXene膜的最佳焊接时间可通过改变储存条件而进行调控。比如：MXene膜在200度的真空环境下仅两小时之后就会失去焊接能力，这是因为水无法渗入到MXene膜的层间。当将MXene膜置于一定的湿度条件以平衡层间水的蒸发与吸附过程，MXene膜的焊接性质能够持续非常长的时间。因此，时间与保存条件对于保存MXene膜焊接性质至关重要。

图3. MXene膜的焊接机理：手摇MXene膜与焊接MXene膜的水溶性及表征。

图4. 基于焊接MXene膜的电化学应用。

总结

       本文提出了MXene膜的焊接性质并证明时间对焊接过程的影响。在外部水的辅助下，层间水分子在MXene膜的连接部分能够自由扩散，以在水分子蒸发后实现的膜分散与结构的重构。在焊接期以外，由于MXene膜层间封闭的空间阻碍了外部水的浸入，使其失去焊接性质。MXene膜这种特殊的焊接性质有利于构筑多尺度的复合结构（多功能驱动器或垂直排列的电极）。MXene膜不能作为用于设计和加工复杂结构的单元是长期困扰MXene商业化进程的问题，该工作对于MXene的商业化应用研究具有里程碑意义。

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北科纳米可提供水辅助“可焊接”的MXene膜（可定制）