基于MXene的水凝胶

由于水凝胶在柔性材料、人机界面、传感器和储能材料方面的巨大潜力，水凝胶成为材料领域的热门研究方向¹。MXene由于其极佳的亲水性、近似金属的导电率、高横纵比的形貌和丰富可调的表面官能团成为众多材料可供选择的基底²。将水凝胶的功能与MXene的性能结合起来是一个十分具有前景的课题。一方面，水凝胶可以使得MXene的稳定性增强，这是限制MXene应用的重要因素。另外一方面，MXene独特的性能可以给予水凝胶新的拓展应用，例如电容器和更高灵敏度的传感器等。本文主要介绍四种主要类型的MXene基水凝胶的合成方式及其思路。

首先，是纯MXene基底的水凝胶。MXene由于其自身较大的范德华力和亲水性导致其片层趋于堆叠，很少形成一个自主支撑的水凝胶。Lin和Lukatskaya等人通过一种巧妙的方式构筑了全MXene的水凝胶。其利用传统的过滤方法，在溶液过滤完成后，立马关闭抽滤，保持其水凝胶的形态，随后将水凝胶中的水分用，即1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰)亚胺交换掉，再在80℃下进行真空干燥，从而得到一个全MXene的凝胶³。

其次，是基于GO的MXene水凝胶。水凝胶形成的关键为良好的交联剂，但MXene其表面的活性位点有限，所以选择一个合适的交联剂是凝胶过程的一个重要研究方向。Chen等人提出了一个凝胶化研究思路，其抛弃了传统的点对点交联，使用氧化石墨烯来实现面对面交联，从而提高其凝胶程度和稳定性，实现了自收敛和自组装过程。氧化石墨烯和MXene混合过程中，MXene将氧化石墨烯还原成疏水的还原氧化石墨烯，从而减弱了二者之间的静电排斥作用，从而通过两者之间的氢键，使得MXene自组装到各向异性的还原氧化石墨烯的框架之中⁴。

第三是基于聚合高分子框架中的MXene水凝胶。MXene纳米片和水凝胶网络中的其他聚合物之间的相互作用是由聚合物链纠缠、离子相互作用、氢和/或共价键引起的，MXene一般不参与聚合过程。Liao等人通过将丙烯酰胺(AAm)单体和聚乙烯醇(PVA)溶于含有Ti3C2Tx纳米片的水中，制备了MXene共聚水凝胶(图5a)。18四硼酸钠(硼砂)被用作PVA链之间的动态交联剂，其中的OH基团通过四氟化硼酸(B(OH)4)离子相互连接。聚丙烯酰胺(PAAm)网络随后通过AAm单体在601c的原位聚合得到。在凝胶形成过程中，由于聚合链的纠缠，MXene纳米片成功地融入水凝胶网络中⁵。

最后，是通过金属离子对MXene进行凝胶化。过长的凝胶化过程中不可避免的氧化导致形成的MXene水凝胶的部分性能退化，为了解决这个问题Deng提出了利用金属离子对于MXene进行快速凝胶化，从而避免MXene片的氧化，其利用Fe2+作为交联剂，利用其对-OH的强相互作用力，从而降低了MXene的负电荷和亲水性，从而促进了MXene片的分离，进而可以在几分钟内进行快速凝胶化⁶。

Reference：

1.    Someya, T.; Amagai, M., Toward a new generation of smart skins. Nat. Biotechnol. 2019, 37 (4), 382-388.

2.    Zhang, Y.-Z.;  Wang, Y.;  Jiang, Q.;  El-Demellawi, J. K.;  Kim, H.; Alshareef, H. N., MXene Printing and Patterned Coating for Device Applications. Adv. Mater. 2020, 32 (21), 1908486.

3.    Lin, Z.;  Barbara, D.;  Taberna, P.-L.;  Van Aken, K. L.;  Anasori, B.;  Gogotsi, Y.; Simon, P., Capacitance of Ti3C2Tx MXene in ionic liquid electrolyte. JPS 2016, 326, 575-579.

4.    Chen, Y.;  Xie, X.;  Xin, X.;  Tang, Z.-R.; Xu, Y.-J., Ti3C2Tx-Based Three-Dimensional Hydrogel by a Graphene Oxide-Assisted Self-Convergence Process for Enhanced Photoredox Catalysis. ACS Nano 2019, 13 (1), 295-304.

5.    Liao, H.;  Guo, X.;  Wan, P.; Yu, G., Conductive MXene Nanocomposite Organohydrogel for Flexible, Healable, Low-Temperature Tolerant Strain Sensors. Adv. Funct. Mater. 2019, 29 (39), 1904507.

6.    Deng, Y.;  Shang, T.;  Wu, Z.;  Tao, Y.;  Luo, C.;  Liang, J.;  Han, D.;  Lyu, R.;  Qi, C.;  Lv, W.;  Kang, F.; Yang, Q. H., Fast Gelation of Ti3 C2 Tx MXene Initiated by Metal Ions. Adv Mater 2019, 31 (43), e1902432.