【背景介绍】
将层状过渡金属碳化物和/或氮化物(MXenes)转化为厚度和横向尺寸为几纳米的零维结构，能够使这些具有卓越电子特性的材料开发量子限制、边缘效应和大表面积的额外优势。然而，用于转换MXene纳米片和量子点的常规方法涉及极端条件，例如高温和/或刺激性化学物质，除其他缺点外，这些条件会导致材料由于氧化而显著降解。
【成果简介】
鉴于此，澳大利亚皇家墨尔本理工大学的Leslie Y. Yeo教授等人报告了一种无化学物质的声微流体方法，用于室温下剥离单层或少层Ti3C2Tz MXene纳米片并将其转化为MXene量子点（MQD），从而在合成过程中最大限度地减少其氧化并保持材料的完整性。与通过传统水热法合成获得的高度氧化样品相比，使用这种室温无化学合成方法生产的高纯度MXene量子点作为过氧化氢电化学传感器的电极材料时表现出优异的性能。测试浓度值低至5 nM，是迄今为止基于Ti3C2Tz MXene电化学传感器报道的最佳性能的10倍。相关论文成果以“Acoustomicrofluidic Synthesis of Pristine Ultrathin Ti3C2Tz MXene Nanosheets and Quantum Dots”为题于2021年6月29日发表在ACS NANO上。
【核心内容】
该方法（如图1所示）依赖于使用最近发现的一类纳米振幅高频（MHz级）混合声波，称为表面反射体波(SRBW)，可用于操纵流体以及块状和2D晶体，用于块状过渡金属二硫属化物的剥离，以及从Ti3AlC2Tz剥离得到Ti3AlC2Tz量子点。与之前的工作相比，表面声波在促进氟化锂质子化为氢氟酸方面发挥了作用，而氢氟酸又从Ti3AlC2中选择性蚀刻Al，从而将其转化为Ti3C2Tz。这项工作展示了直接机械剥离的方法将多层MXene横向切割成单层和少层纳米片和MQD，无需化学或有机碱，如氢氧化四丁基铵或原位嵌入剂。
图1所示：(a)实验装置的示意图，其中多层Ti3C2Tz MXene样品连续输送到SRBW装置，在其顶部雾化形成分层和裂解的Ti3C2Tz气溶胶液滴，这些液滴在玻璃瓶外壳内凝结。(b)观察到在多个循环中收集的冷凝物的连续再雾化(i)横向切割和(ii)将样品分层为逐渐变小和变薄的MXene纳米片和MQD。
图2所示：经过(a)1、(b)5和(c)10个雾化循环后合成的MXene纳米片和MQD的代表性原子力显微镜(AFM)图像和相应的厚度（中）和平均横向直径（右）测量分布。
图3所示：(a)原始多层MXene原料、1次和5次雾化循环后的MXene纳米片、10次雾化循环后的MQD和HMQD(水热法合成量子点)的(a)XRD图和(b)高分辨率XPS图（Ti2p区域）。XPS谱图中还标明了每种情况下TiO2-xFx的面积百分比。
图4所示：（a）UV-vis吸收图（黑色曲线，左轴）、荧光发射图（彩色曲线，右轴；（b）经过10次雾化循环所获得的声学合成的MQD的光致发光(PL)光谱。在（a）中，激发依赖性荧光发射是明显的，最大值出目前360 nm激发处；插图显示了用365 nm紫外灯激发的MQD悬浮液的图像。(b)中，激发波长为400 nm；还显示了HMQD的相应光谱，由于其高TiO2-xFx成分，导致显著较弱的PL发射强度；从插图中显示的PL衰减曲线来看，MQD和HQMD的相应寿命分别为3.4和3.9 ns。
图5所示：在0.1 M PBS中和不同的H2O2浓度下，(a)Naf/MQD/GCE和(b)Naf/HMQD/GCE配置的方波伏安曲线；箭头显示了观察到的H2O2浓度增加的趋势。(c)Naf/MQD/GCE（红线）和Naf/HMQD/GCE（黑线）配置的电流响应和H2O2检测潜力。
【结论】
MXene纳米片和量子点提供了将增强的电子特性、高导电性和优异的电化学活性的优势与量子限制、边缘效应和大表面积的优势相结合的可能性。合成这些材料的常规方法，包括常见的溶剂热法和水热法，除了耗时长且需要高的温度和危险化学品之外，还会导致样品氧化成TiO2，从而大大降低材料的纯度，导致其在各种应用中的性能下降。在这项工作中，作者报告了一种无化学物质的室温合成方法，通过伴随高频声波驱动的样品雾化的大机械力，将多层MXene分层为单层的MQD。除了相对较快的合成时间外，鉴于芯片级设备的占用空间小且成本低（通过利用与大规模纳米制造相关的规模经济，该方法可以通过大规模设备并行化轻松扩展）。更重要的是，通过这种技术合成的MQD不会受到明显的氧化。除了表现出强烈的紫外线吸收和激发依赖性荧光外，该材料的高纯度导致其作为电化学传感电极材料的性能明显更好，特别是H2O2，表现出检测浓度可低至5 nM，这是迄今为止Ti3C2Tz MXene电化学传感器达到的最低值。
【论文链接】
Hossein Alijani, Amgad R. Rezk, Mohammad Mehdi Khosravi Farsani, Heba Ahmed, Joseph Halim, Philipp Reineck, Billy J. Murdoch, Ahmed El-Ghazaly, Johanna Rosen, and Leslie Y. Yeo, Acoustomicrofluidic Synthesis of Pristine Ultrathin Ti3C2Tz MXene Nanosheets and Quantum Dots, ACS Nano, 2021.
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c03428 |
