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01

用于析氢电催化的Mo2Nb2C3Tx MXenes原子有序设计

对储能和发电新材料的需求要求在纳米材料的原子尺度上进行化学控制。有序双过渡金属MXenes自2015年发现以来扩大了原子层状2D材料家族的化学多样性。然而，有序MXenes的原子可调性以实现理想的组成-性质关系还不可能。在本研究中，我们利用密度泛函理论、Rietveld细化和电子显微镜方法，演示了Mo2+α nb2−α alc3 MAX相(0≤α≤0.3)的合成，并分别证实了Mo和Nb在外层和内M层的优先排序行为。我们还合成了它们的二维衍生物Mo2+αNb2−αC3Tx MXenes，并举例说明了优先顺序对其析氢反应电催化行为的影响。本研究旨在激发对有序双过渡金属MXene家族的进一步探索，并为二维材料的应用驱动设计贡献组成行为工具。

有序双过渡金属Mo2+αNb2−αC3Tx的应用驱动控制提供了对MXenes电催化HER行为的控制。(a)先前Mo2Ti2C3Tx MXenes的排序是固定的，其中过渡金属被分离到单独的M原子层。(b) Mo2+αNb2−αC3Tx MXenes在M层中有序可控。(c)在Mo2+αNb2−αC3Tx MXenes中获得的控制允许可设计的材料行为，如析氢反应催化应用所示。

利用HF-TMAOH方法刻蚀和分层Mo2+αNb2−αAlC3制备Mo2+αNb2−αC3Tx MXenes(a) Mo2+αNb2−αC3Tx薄膜的刻蚀、分层和独立薄膜制备的广义原理图。(b) Mo2+αNb2−αAlC3 MAX相、蚀蚀Mo2+αNb2−αC3Tx MXene粉体和独立Mo2+αNb2−αC3Tx脱层MXene薄膜(圆弧内实际成分来源于Rietveld)的全谱XRD。(c)全谱XRD聚焦(002)峰，发现Mo2+αNb2−αAlC3(002)峰左移，生成Mo2+αNb2−αC3Tx mxene(括号中为Rietveld的实际组成)。(d-f) Mo2+αNb2−αAlC3 MAX相到Mo2+αNb2−αC3Tx MXene独立薄膜的SEM图像。

HF/ hcl - licl合成Mo2+αNb2−αC3Tx MXenes的析氢反应(HER)表征(a) Mo2+αNb2−αC3Tx MXenes的电位与电流密度图(图中为Mo:Nb:Al:C组成，数据旁边为实际的rietveld衍生组成)，分别用于推导10 mA/cm2的过电位和图(b)和(C)中所示的Tafel斜率。(d) HF- tmao -合成的Mo2+αNb2−αC3Tx MXenes的电导率测量与HF/ hcl - licl合成的Mo2+αNb2−αC3Tx MXenes的薄片尺寸比较。

02

V2CTx/硅纳米复合材料用于可穿戴自供电传感器

可穿戴式摩擦电纳米发电机(TENGs)的功能和使用受到其摩擦材料性能发展的显著影响。本文介绍了一种由V2CTx/有机硅纳米复合材料和蛇形滕(S-TENG)组成的新型电荷发生层(CGL)。V2CTx/硅胶纳米复合材料表面呈现高负电性，显著提高了表面电位和电荷密度。所制备的TENG的峰值功率密度为19.75 W m−2。它还表现出较高的机械拉伸性能(400%)，这明显优于先前报道的TENGs在小外部压力下的性能。优化后的S-TENG是一种自供电人体运动传感器，具有高灵敏度(4.93 V kPa−1)和快速上升时间(21 ms)。此外，通过智能手机成功地进行了使用手指运动检测和文本转换的手语翻译的现实演示。此外，S-TENG的实时传感能力在手指触摸控制的虚拟现实汽车游戏中得到了展示。S-TENG被证明可以捕捉不同类型的人体运动能量，为秒表和腕表持续供电。因此，预计V2CTx/硅胶纳米复合材料将继续为各种TENG应用做出贡献，包括可穿戴自供电传感器、机器人和物联网平台中的医疗保健监测。

a) V2AlC MAX级合成V2CTx的选择性蚀刻程序示意图。b)微结构V2CTx/硅酮纳米复合材料的分步制备工艺。c-f) V2AlC Max相颗粒、V2CTx MXene、尼龙织物和微结构V2CTx/硅胶纳米复合材料的FESEM图像。g-k) EDS图像及相应的元素图。

a)提出的S-TENG示意图说明了用于运动传感器的人体位置。b)附着于表皮的S-TENG的示意图和S-TENG的放大图像。c) S-TENG的张力-应变曲线(S-TENG图内附测力计)。d) S-TENG传感器在不同应变水平下的电压输出性能。e) S-TENG输出电压和压力灵敏度取决于施加压力的范围。f) S-TENG传感器在手指弯曲时产生的电压信号。g) S-TENG传感器弯曲和释放手指的上升时间。i,k,m) S-TENG输出电压信号对膝关节、肘部和手腕弯曲相对于不同角度的响应。h,j,l,n)在一定弯曲角度下，输出S-TENG电压随手指、膝盖、肘部和手腕弯曲程度的增加呈线性增加。

a) S-TENG传感器喉部振动时的电压信号(图内:传感器图像，固定在人的喉部)。当一个人的喉咙振动时，S-TENG传感器发出的电压信号被识别为b)“嗨”、“Sanaf”、“我爱你”和c)“你好吗?”d) 5个安装在手指上的S-TENG传感器的照片。e) S-TENG传感器响应各种手指运动的电压信号。f)“HELLO ASER”的手语由每个S-TENG传感器输出电压的彩色图表示。g)手语翻译系统架构示意图。h) S-TENG和智能手机应用程序的照片显示了文本翻译的手势。i)二维汽车游戏控制方案示意图(传感器阵列、数据采集方案、蓝牙、MCU、游戏接口计算机)j,k) S-TENG传感器阵列和游戏接口PC的照片。l)使用S-TENG阵列，通过手动敲击，演示了分别具有33 μ F和10 μ F电压曲线的自供电腕表和秒表。

03

MXene/SWCNTs/PANI三元复合材料构建多孔层状结构柔性薄膜电极

由于各种效率低下而损失的能量中，热能是丰富而普遍存在的。利用热电效应，热电池(TECs)可以直接将热能转化为电能，而不会产生振动、噪音或其他废物排放。本文提出了一种基于Ti3C2Tx MXene (Tx代表表面末端)、聚苯胺(PANI)和单壁碳纳米管三元复合材料的柔性薄膜电极的合理设计，与广泛采用的铂电极相比，该电极的热电化学性能显著提高。三元复合电极形成具有大电化学活性表面积的多孔层状结构。实验和模拟结果表明，Ti3C2Tx和PANI的协同效应促进了电解质-电极界面的质量和电荷传输，在ΔT为40 K时产生了输出功率为13.15 μ W cm−2的TEC。TEC还显示出对人体和环境之间的微小温差的快速响应，显示出在收集低等级热量为小型电子设备供电方面的巨大潜力。

多孔层状三元复合材料薄膜电极的形成。

a)合成Ti3C2Tx MXene薄片的AFM图像。b)合成Ti3C2Tx MXene薄片的AFM高度剖面。c)原始Ti3C2Tx薄片的TEM图像。d)原始Ti3C2Tx (P63/mmc空间群，编号194)对应的选择区电子衍射(SAED)图。e) Ti3C2Tx与SWCNTs和PANI混合后的高分辨率TEM图像。f) Ti3C2Tx + SWCNTs二元复合材料的透射电镜图像。g) Ti3C2Tx + SWCNTs + PANI三元复合材料的TEM图像。h)原始Ti3C2Tx薄膜的SEM截面图。i) Ti3C2Tx + SWCNTs二元复合薄膜的SEM截面图像。j) Ti3C2Tx + SWCNTs + PANI三元复合薄膜的SEM截面图。k) Ti3C2Tx + SWCNTs + PANI三元复合材料的XPS Ti2p谱。l) Ti3C2Tx + SWCNTs + PANI三元复合材料的XPS N1s光谱。m) N1s谱解卷积的三个子峰的积分面积。n)各种样品的拉曼光谱。

a)方形TEC结构及尺寸信息示意图。b)预制方形TEC的光学图像。c)使用方形TEC在电压放大器的辅助下，在30 K的温差下点亮两个LED灯泡的演示。d,e)演示使用方形TEC通过收集人体热量为电子计时器供电。当拇指触碰正方形TEC的一侧时，计时器立即启动。人体与周围环境之间的应用温差≈10 K。

04

导电NbB2-MXene异质结构用于锂硫电池

在锂硫电池中，制备金属硼化物异质结构并破译其在原子水平上加速多硫化物转化的界面相互作用机制是有意义但具有挑战性的。在此，通过简单的一步硼热还原策略，精心设计了具有自发内置电场(BIEF)的新型高导电性和二元亲硫性NbB2-MXene异质结构。实验和理论结果表明，Nb和B原子可以与多硫化物形成化学键，从而丰富了化学锚点和催化活性位点。同时，自发的BIEF诱导界面电荷重分布，使更多的电子转移到NbB2表面位点，从而削弱了其强吸附性能，但加速了多硫化物在异质界面上的转移和电子扩散，从而提供了适度的多硫化物吸附能力，但降低了硫种转换能垒，进一步增强了NbB2- mxene对加速双向硫转化的本质催化活性。因此，S/NbB2-MXene阴极在0.1℃时具有1310.1 mAh g−1的高初始容量，在1℃时具有500次稳定的长期使用寿命(每循环容量衰减0.076%)，在0.1℃时具有6.5 mAh cm−2的大面积容量(在5 μ L mg−1的稀电解质中硫负载为7.0 mg cm−2)。该工作清楚地揭示了界面BIEF和二元磺化效应在原子水平上加速硫转化的机制。

NbB2-MXene异质结构的合成过程及机理。A) NbB2-MXene异质结构的合成方案。B,C) NbB2和MXene界面上电子再分配的示意图。D) NbB2与MXene界面电荷密度差及NbB2-MXene异质结构对LiPSs的吸附-电催化机理。黄色和蓝色的分布分别代表电荷的积累和消耗。E) Li2S吸附在NbB2和NbB2- mxene表面的示意图及Li × S键的键长。F)多硫化物/Li2S在MXene、NbB2和NbB2-MXene上的转化活化能。G)分别在NbB2、MXene和NbB2-MXene表面上的多硫化物吸附/转化过程示意图。

NbB2-MXene异质结构的形貌和显微结构。A) XRD谱图。B,C) SEM和D) TEM图像的NbB2-MXene。E,F) NbB2-MXene的HR-TEM图像。G) SEM图像及其Nb、B、Ti、C的元素映射(G1-G4)。H) NbB2-MXene的XPS光谱测定。NbB2-MXene的I) Nb 3d和J) B 1s的高分辨率XPS谱。

S/NbB2-MXene, S/NbB2和S/MXene的电化学性能。A) S/NbB2-MXene、S/NbB2和S/MXene阴极在0.1 mV S−1从1.7到2.8 V时的CV曲线。B) 100次循环后的EIS曲线。C) S/NbB2-MXene、S/NbB2和S/MXene阴极的速率性能。D) NbB2-MXene电极的恒流充放电曲线。E) S/NbB2-MXene、S/NbB2、S/MXene阴极QL容量的比较。F) 0.2 C时的循环性能G) 1.0 C时500次循环的长期稳定性H) 0.1 C时S/NbB2-MXene的面积容量和比容量。、

05

Mo2CTx MXene负载Ru簇加速水解离

温和中性介质中的电催化析氢反应(HER)是环境可持续能源转化的重要目标，但由于动力学缓慢，其发展受到很大限制。铂族贵金属具有超高的HER活性，但其稀缺性和性能不稳定性限制了其广泛应用。在此，利用2d层状过渡金属碳化物(MXene)优异的催化剂载体特性，在Mo2CTx MXene上高分散的Ru簇被证明是一种优秀的HER电催化剂，采用原位还原策略制备。制备的Ru/Mo2CTx催化剂在中性介质中表现出73 mV的过电位，达到−10 mA cm−2的电流密度和57 mV dec−1的Tafel斜率，超过了先前报道的大多数mxenen基催化剂的性能。此外，Ru/Mo2CTx催化剂的稳定性也优于商用Pt/C催化剂。实验结果和理论计算表明，Ru团簇之间的相互作用调节了活性位点的电子结构，促进了水的解离和氢的解吸。

由Mo2Ga2C简易合成Ru/Mo2CTx的原理图。

Ru/Mo2CTx的显微组织和形貌表征。a) Ru簇分布均匀的SEM图像;b-e) EDX元素映射;f-g) HR-TEM图像。

中性介质中的电化学HER性能。a)扫描速率为5 mV s−1时的HER极化曲线;b)由(a)部分导出的Tafel图;c) Mo2CTx、Ru/Mo2CTx和Pt/ c在−10 mA cm−2处的起始电位和过电位;d)各种mxene基HER催化剂的过电位和Tafel斜率比较;e)电化学阻抗谱Nyquist图;f)电容电流与CV扫描速率的线性拟合;g) Ru/Mo2CTx循环1次和1000次后的稳定性演示;h) Ru/Mo2CTx在−20 mA cm−2下30小时的计时电位稳定性演示。

06

Ti3C2Tx空心微球可控分布在导热聚酰亚胺薄膜上用于优异电磁干扰屏蔽

柔性多功能聚合物基电磁干扰屏蔽复合薄膜在5G通信技术、可穿戴电子设备、人工智能等领域具有重要应用。在多孔/多层结构设计的基础上，以聚酰亚胺(PI)为基体，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为模板，采用牺牲模板法成功制备了孔径和分布可控的Ti3C2Tx空心微球柔性(Fe3O4/PI) - Ti3C2Tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜。由于Ti3C2Tx空心微球的多孔/多层结构，当孔径为10 μm, PMMA/Ti3C2Tx质量比为2:1时，(Fe3O4/PI) - Ti3C2Tx - (Fe3O4/PI)复合膜的EMI屏蔽性能最为优异，EMI屏蔽效能(EMI SE)为85 dB。通过有限元模拟进一步验证了复合膜对电磁波具有良好的屏蔽效果。此外，复合膜具有良好的导热性(导热系数为3.49 W/(m·K))和力学性能(抗拉强度为65.3 MPa)。这种柔性(Fe3O4/PI) - ti3c2tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜具有优异的EMI屏蔽性能、导热性和机械性能，在大功率、便携式和可穿戴柔性电子设备的EMI屏蔽保护中显示出巨大的应用潜力。

a) (Fe3O4/PI) - ti3c2tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜的制备原理图。PMMA微球、Ti3C2Tx、PMMA@Ti3C2Txmicrosphere和ti3c2tx空心微球的表征结果:b) XRD谱图，c) XPS全谱图和d) ti2pand e) c1s的高分辨率XPS窄谱图

PMMA微球、PMMA@Ti3C2Txmicrospheres和Ti3C2Txhollow微球的形貌:a) PMMA微球、b) PMMA@Ti3C2Txmicrospheres和C) Ti3C2Txhollow微球的C、Ti元素的SEM图像及相应的EDS元素分布图;d) ti3c2tx空心微球的透射电镜图像;e)刻意破碎后ti3c2tx空心微球的SEM图像，观察壁厚。

Fe3O4/PAA静电纺丝纳米纤维薄膜、不同直径的(Fe3O4/PI) - PMMA@Ti3C2Tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜以及相应的(Fe3O4/PI) - ti3c2tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜的形貌:a) Fe3O4/PAA静电纺丝纳米纤维表面的SEM图像版权所有。14电影;b)直径为5 μ和c)的(Fe3O4/PI) - PMMA@Ti3C2Tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜的SEM截面图(附Fe和Ti元素的EDS元素分布图);d-f)、(Fe3O4/PI) - PMMA@Ti3C2Tx - (Fe3O4/PI)直径分别为10 μm、15 μm和20 μm的复合薄膜和g-i)相对应的(Fe3O4/PI) - ti3c2tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜的截面sem图像

基于PMMA/Ti3C2Tx不同质量比的(Fe3O4/PI) - Ti3C2Tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜的形貌:以PMMA/Ti3C2Tx质量比为a) 4:1、b) 2:1、c) 1:1、d) 1:2、e) 1:4、f) 0:1制备的(Fe3O4/PI) - Ti3C2Tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜的SEM截面图。

不同PMMA/Ti3C2Tx质量比(Fe3O4/PI) - Ti3C2Tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜的电磁干扰屏蔽性能:a) SET, b) SEA, c) SER;d) PMMA/ ti3c2tx4∶1、2:1、1:2、0:1质量比下(Fe3O4/PI) - ti3c2tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜的能量密度分布;e)电场强度和能量流(从左至右);f)电磁干扰屏蔽机构的示意图;g) (Fe3O4/PI) - ti3c2tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜放置30天前后的电磁干扰SE;h) (Fe3O4/PI) - ti3c2tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜的EMI SE与厚度的比较等工作;i)显示无线充电器和智能手机之间(Fe3O4/PI) - ti3c2tx - (Fe3O4/PI)复合薄膜的EMI屏蔽效果的照片