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Progress in 3d‑mxene Electrodes for Lithium/Sodium/Potassium/Magnesium/Zinc/Aluminum‑Ion Batteries

Electrochemical Energy Reviews 2023年第1期6卷 756-789页

作者： Tariq Bashir Shaowen Zhou Shiqi Yang Sara Adeeba Ismail Tariq Ali Hao Wang Jianqing Zhao Lijun Gao College of Energy Soochow Institute for Energy and Materials InnovationsSoochow UniversitySuzhou 215006JiangsuChina Research Institute of Superconductor Electronics Nanjing UniversityNanjing 210023JiangsuChina

mxenes have attracted increasing attention because of their rich surface functional groups,high electrical conductivity,and outstanding dispersibility in many solvents,and have demonstrated competitive efficiency in energy storage and conversion ***,the restacking nature of mxene nanosheets like other two-dimensional(2d)materials through van der Waals forces results in sluggish ionic kinetics,restricted number of active sites,and ultimate deterioration of mxene mate-rial/device *** strategy of raising 2d mxenes into three-dimensional(3d)structures has been considered an efficient way for reducing restacking,providing greater porosity,higher surface area,and shorter distances for mass transport of ions,surpassing standard one-dimensional(1d)and 2d *** multivalent ion batteries,the positive multivalent ions combine with two or more electrons at the same time,so their capacities are two or three times that of lithium-ion batteries(LIBs)under the same conditions,e.g.,a magnesium ion battery has a high theoretical specific capacity of 2205 mAh g^(−1)and a high volumetric capacity of 3833 mAh cm^(−3).In this review,we summarize the most recent strategies for fabricating 3d mxene architectures,such as assembly,template,3d printing,electrospinning,aerogel,and gas foaming *** consideration has been given to the applications of highly porous 3d mxenes in energy storage devices beyond LIBs,such as sodium ion batteries(SIBs),potassium ion batteries(KIBs),magnesium ion batteries(MIBs),zinc ion batteries(ZIBs),and aluminum ion batteries(AIBs).Finally,the authors provide a summary of the future opportunities and challenges for the construction of 3d mxenes and mxene-based electrodes for applications beyond LIBs.

关键词： 3d mxene Fabrication methods Multivalent ion batteries Beyond LIBs

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mxene基复合功能药物载体材料的制备及性能研究

MXene基复合功能药物载体材料的制备及性能研究

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作者：郭亚萍河北工业大学

学位级别：硕士

近年来,肿瘤的发病率和死亡率逐年上升,肿瘤的治疗依旧是难题和研究热点。抗肿瘤药物直接给药会产生很多副作用,而且多次给药通常会使肿瘤细胞产生耐药性,而这些问题可以通过药物载体来改善。mxene(TiC)纳米片和碳纳米管(CNT)具有优异... 详细信息

近年来,肿瘤的发病率和死亡率逐年上升,肿瘤的治疗依旧是难题和研究热点。抗肿瘤药物直接给药会产生很多副作用,而且多次给药通常会使肿瘤细胞产生耐药性,而这些问题可以通过药物载体来改善。mxene(TiC)纳米片和碳纳米管(CNT)具有优异的光热效果、良好的药物负载能力和生物相容性,且二氧化钛具有光敏性。但mxene纳米片作为药物载体时存在易团聚,形状与尺寸不易控制,光动力效果不佳等问题,因此本文利用喷雾干燥工艺和热处理制备了含有二氧化钛的三维(3d)mxene和3d CNT/mxene两种复合微球。论文的主要内容如下:以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为模板剂,利用喷雾干燥工艺和硬模板法制备3d mxene@PMMA复合微球,通过热处理去除PMMA模板制备出3d mxene微球。通过物理化学性能分析,在制备3d mxene微球的过程中,mxene表面形成了二氧化钛。用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察样品的形貌,研究结果表明:随着PMMA模板和mxene纳米片质量比的增加,微球更致密,但其均一性下降。通过载释药行为分析,3d mxene-6微球对阿霉素(dOX)的载药率达到87.3%,同时具有良好的药物缓释性能、p H响应性和激光刺激反应性。测试其在溶液中的升温情况,当近红外(NIR)光照射3d mxene-6样品5 min后,在500μg m L的浓度下,3d mxene-6分散体的温度迅速提高到74.4℃。通过测试单线态氧产生能力和细胞内产生活性氧(ROS)的能力,研究了其光动力效应。通过细胞毒性试验,3d mxene-dOX对肿瘤细胞的抑制率达到86.8%。细胞实验结果表明,3d mxene微球具有优异的生物相容性,3d mxene-dOX能够在细胞中进行化学药物缓释、光热效应和光动力效应,导致肿瘤细胞凋亡。采用喷雾干燥工艺和硬模板法制备3d CNT/mxene@PMMA复合微球,通过煅烧去除PMMA制备出3d CNT/mxene微球。测试了样品的X射线衍射图谱和X射线光电子能谱,表征了二氧化钛的形成。CNT可以改善mxene表面形成的二氧化钛作为光敏剂的使用条件。研究结果表明,随着PMMA模板、CNT和mxene纳米片质量比的增加,微球致密性增加、比表面积越大、光热性能越好,但其均一性下降。当NIR光照射5 min后,500μg m L的3d CNT/mxene-12分散体的温度迅速提高到76.9℃,具有优异的光热转化能力。通过测试其单线态氧产生能力和细胞内产生ROS的能力,评估了其光动力效果。3d CNT/mxene-dOX微球具备药物缓释性、p H响应性、激光刺激反应性及良好的生物相容性。通过细胞实验表明,肿瘤细胞的存活率降至10.7%,3d CNT/mxene-dOX在细胞中可以通过药物的控释、光热效应和光动力效应有效地杀死肿瘤细胞。

关键词： 3d mxene 药物载体光热效应光动力效应

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mxene基多孔材料的设计及其在锂硫电池中的应用

MXene基多孔材料的设计及其在锂硫电池中的应用

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作者：裴子媛烟台大学

学位级别：硕士

二维(2d)纳米材料因其独特的结构优势备受关注,其中mxene凭借良好的导电性、可调的层间距、较低的离子扩散势垒等特点,已被广泛应用于吸附、储能、电磁屏蔽等诸多领域,特别是在锂硫电池(LSBs)方面受到极大关注。众所周知,LSBs因活性物... 详细信息

二维(2d)纳米材料因其独特的结构优势备受关注,其中mxene凭借良好的导电性、可调的层间距、较低的离子扩散势垒等特点,已被广泛应用于吸附、储能、电磁屏蔽等诸多领域,特别是在锂硫电池(LSBs)方面受到极大关注。众所周知,LSBs因活性物质价格低廉易得,同时还有超高能量密度(2567 Wh kg),被认为是未来大规模储能的关键技术。然而,由于硫和反应最终产物的绝缘性以及多硫化锂的迁移性导致循环稳定性差,阻碍了其商业化。为了解决这一系列问题,许多科研人员寄希望于mxene材料,但是此2d材料层间易受范德华力的影响,导致片层重新堆叠和聚集,阻碍离子扩散,降低了材料表面的可用性,不利于提高锂硫电池的电化学性能。针对以上不足,本论文通过结构调控把2d mxene构筑成三维(3d)多孔互联网状结构,来防止片层聚集、增大材料比表面积并改善锂硫电池中的离子扩散。具体工作和结论如下:本论文从MAX相材料(TiAl C)出发,利用原位合成氢氟酸法(即以氟化锂/盐酸混合溶液为刻蚀剂)刻蚀、调控反应参数制备TiCT mxene纳米片。再以mxene作为构筑单元,以三聚氰胺-甲醛高分子为交联剂,制备具有电化学储能应用(锂硫电池)的3d mxene/三聚氰胺-甲醛高分子气凝胶(MMFA)。该材料具有大的比表面积(221 m g),作为硫载体,表现出较高的硫利用率,高可逆比容量、优良的倍率能力和长期循环稳定性。作为锂硫电池的功能化隔膜,电池的放电比容量在0.1 C电流密度下达到1042 m A h g。与mxene/PP隔膜相比,MMFA/PP修饰的隔膜在锂硫电池中具有更高的容量。通过溶胶凝胶法,将吡咯-甲醛高分子引入到mxene片层,原位生成水凝胶,然后通过冷冻干燥制备mxene/吡咯-甲醛高分子气凝胶(MPF12)。为进一步提高材料的性能,抑制锂硫电池中多硫化物(Li PSs)的“穿梭效应”和缓解电极材料体积膨胀,本工作进一步将该气凝胶材料进行活化,得到氮掺杂mxene基多孔材料(aMPF12)多孔材料。活化过程使材料的比表面积增加至222 m g。将aMPF12作为硫主体,所制备的aMPF12@S复合电极表现出高的倍率性能,即使循环200圈后容量保持率仍有77.2%。电池的循环性能可以通过进一步改性隔膜来实现。与PP隔膜相比,通过aMPF12/PP隔膜组装的锂硫电池在0.5 C时初始比容量为911 m A h g,循环500圈后,容量保持率在61.8%。此外,通过计算锂离子扩散速率,证明隔膜修饰材料的电子导电性和锂离子传输能力对于提升LSBs电池比容量和循环稳定性至关重要。

关键词： 3d mxene 气凝胶锂硫电池功能化隔膜

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