二维材料MXene的动电效应研究

作     者：瞿忍婕 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹留烜

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：动电效应 MXene膜 垂直取向 快速离子输运 离子选择性 

摘      要：由于可植入医学设备和小型化无线电子设备的迅速发展,从周围环境高效获取能源并为设备供能成为快速增长的需求。纳米孔道中的动电效应,通过把流体中的机械能转化为电能,为从环境中提取清洁能源提供了潜在的解决方案。目前,纳流动电效应的功率密度还不够高,成为制约其应用的主要瓶颈之一。二维材料通过片层之间提供的快速输运的离子通道,极大促进了该领域的发展。本论文通过真空抽滤并结合MEMS制造技术,制备二维片层垂直取向的MXene膜（VMM）。通过与纳米片层平行排布的MXene膜（HMM）进行对比,研究了二维片层排布方向对离子输运和能量转化的影响。实验结果表明,VMM的离子渗透率比HMM高出了三个数量级。由于VMM同时具备极高的选择性和渗透性,VMM在液压驱动下可以产生8.17 A/m2的动电流,优于目前所有报道过的纳米多孔材料。我们通过理论分析和数值模拟的方法揭示了 VMM中的快速离子传输机理。首先,垂直排布的二维片层结构提供了与扩膜方向相同的通道,极大缩短了离子的传输路径。其次,VMM中的贯穿直通道降低了离子迁移过程中的能量损耗。同时VMM表面较大的可进入面积,这些因素造成了离子在VMM中的快速传输。这些发现促进了动电能量转换设备的实际应用。并且,通过揭示二维片层排布方向二维膜材料输运性能的决定性影响,为高性能二维材料的设计以及离子输运相关的体系（例如过滤、分离、检测和催化等）带来研究启发。