离子限域辅助擦除纯化策略：实现氧化MXene再生与多功能性能恢复

《Advanced Science》：Ion-Confinement-Assisted Erasure Purifies Oxidized MXene for Reuse

本文报道了一种离子限域辅助的擦除-纯化策略，通过碱性水热处理和酸洗步骤选择性去除氧化MXene（Ti3C2Tx）表面的TiO2物种。该策略不仅恢复了MXene的胶体稳定性和导电性，还显著提升了其体积电容（1801 F cm?3）、电磁波吸收（最低反射损耗-53.4 dB）和红外隐身性能（发射率0.15），为氧化二维材料的循环利用提供了新思路。

　　

1 引言

自2011年首次报道以来，碳化钛MXene（Ti₃C₂T_x，T_x代表—OH、—O、—F等表面终止基团）因其亲水性、高导电性和机械性能而备受关注。然而，MXene在水环境中会自发氧化生成绝缘的TiO₂，导致性能急剧下降。现有策略仅能延缓而无法根本抑制氧化，且毒性HF蚀刻法存在安全与环境隐患。本研究通过离子限域界面环境构建与酸洗结合，实现了氧化MXene的高效再生。

2 结果与讨论

2.1 擦除纯化氧化MXene的微观结构特征

通过碱性水热处理，表面TiO₂转化为纤维状钛酸钠纳米线（图2e），酸洗后去除杂质，MXene恢复洁净二维形貌（图2f）。O/Ti原子比从氧化态的0.95–2.16恢复至0.66–0.71，表面含氧终止基增多，增强了伪电容贡献。再生MXene薄膜密度达3.8 g cm^?3，且具备良好柔韧性。

2.2 降解MXene的擦除与纯化机制

密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟表明，OH^?和水合Na⁺（Na⁺·4H₂O）在MXene表面吸附能高于水分子（图3b–c），形成动态离子限域界面，抑制水分子接触。原位表征显示酸洗可在284秒内快速溶解钛酸钠，完成擦除过程（图3g）。

2.3 擦除纯化氧化MXene的回收效率

MXene-1R（氧化1个月）和MXene-2R（氧化2个月）的回收率分别为70%和19%。放大实验（10克级）证实策略可规模化应用，再生薄膜导电性优异。酸洗废液中的Ti⁴⁺可回收为TiO₂量子点，总资源利用率超90%。

2.4 擦除纯化策略的普适性

该策略适用于不同形貌（粉末、薄膜、复合材料）和氧化环境（酸性电解质）的MXene（图4b–d）。再生MXene薄膜抗溶胀性显著提升，因H⁺插层减少层间距，增强层间作用力（图4e–h）。

2.5 擦除再生MXene的应用潜力

MXene-1R的体积电容达1801 F cm^?3，优于原始MXene（1103 F cm^?3），倍率性能优异（40 A g^?1下容量保持80%）。其电磁波吸收覆盖5G n79频段（4.4–5.0 GHz），红外发射率低至0.15，且能在240°C高温下保持隐身性能（图6f）。涂层织物兼具太阳能吸收（84.6%）与红外辐射抑制功能，适用于智能热管理。

3 结论

离子限域辅助擦除纯化策略为氧化MXene的再生提供了高效、普适的路径，不仅恢复了材料性能，还拓展了其在能源、电磁屏蔽与红外隐身等领域的应用潜力。

4 实验方法

单层Ti₃C₂T_x通过MILD法合成，氧化模拟采用室温储存，擦除纯化包括饱和NaOH水热处理（120°C, 4 h）和HCl酸洗。表征手段涵盖XRD、SEM、XPS、电化学测试等。DFT与MD模拟采用VASP和Materials Studio软件。