酒石酸钠对水中 MXene 的稳定机制

摘要

过渡金属碳(氮)化物( MXene)是第一种兼具亲水性和导电性的二维材料, 具有优异的力学性能、可调的表面官能团、光电(热)效应等性能而成为近期的研究 热点[1]。湿法刻蚀目前最常用的“自上而下”从 MAX 前驱体制备 MXene 的方法;但刻蚀 使用的 HF 酸或 HCl 配合 LiF 不可避免的造成 MXene 产物出现基面缺陷,再加之二维 片层必然存在的边缘,成为 MXene 氧化敏感位点。更不幸的是溶剂水即可视作氧化 MXene 的腐蚀性介质,氧化生成金属氧化物与无定形碳,完全丧失其优异的理化性能。 据报道,优化 MAX 相结构、温和刻蚀、调节存储环境、表面修饰和添加抗氧化剂等措 施可 MXene 氧化。其中,添加抗氧化剂具有操作简单、成本低且高效等优点,是减缓 MXene 氧化的有效方法。抗坏血酸钠、聚阴离子盐、单宁酸、离子液体等化合物均被 证明可提高 MXene 的化学稳定性[2]。但上述抗氧化剂仍存在用量大,抗氧化机理不明 等问题。 据此,本文根据 “缓蚀”理论与研究方法,分别构建了酒石酸钠( ST)对 Ti2CTx-MXene 以及 Ti3C2Tx-MXene 的抗氧化体系;借助色差法追踪 MXene 的氧化历程,当 ST 在最佳添加浓度为 0.3 mg/mL 时,ST-MX(Ti2)和 ST-MX(Ti3)的时间常数分别 可达到 565.5 小时和 239.3 天;通过形貌、XPS、pH 与温度加速实验以及电化学性能 测试来表征 ST 的抗氧化效果;结果表明,老化 96 小时后,0.3ST-MX(Ti2)依旧保持 层状结构,代表 Ti–C 主链的贡献比仍然明显,并且其电容值仍有 262.8 F/g,在恶劣环 境(pH 为 2.5,温度为 80°C)下的时间常数仍可分别达到 5.9 和 7.4 小时;采用多尺 度理论计算,阐明 ST 稳定 MXene 的机理,发现 ST-在 MXene 表面的吸附倾向于边缘 和缺陷的覆盖,从而减缓氧化的进展。本研究提供了一种可有效延长 Ti 基 MXene 的可 行途径,并且采用该抗氧化措施后,MXene 依然保留优异的抗氧化性能。 图 1 ST 稳定 MXene 过程示意图