【背景介绍】
电化学驱行器是通过电化学过程将电能转化为机械能的装置。它们被广泛应用于柔性机器人、人造肌肉、微型泵、传感器等领域。设计出能在空气中稳定工作的柔性电化学驱动器是该领域发展的重要挑战。MXenes是近年来发现的一种新兴二维材料，由于其庞大的家族体系使得其一经问世就引起了广泛关注，目前为止已有30余种MXenes被成功合成，因其具有高能量密度、优异的倍率性能、高导电性和高机械强度等特点，被广泛应用于电磁屏蔽、纳米药物、储能等众多领域。现阶段，关于该材料许多重要研究成果都集中于储能领域，利用Ti3C2Tx制备的超级电容器是现阶段电化学容量最高的碳基材料，电化学容量达到1500F/cm3（Nat. Energy. 2017, 6,17105）。
近日，吉林大学高宇副教授（通讯作者）团队报道了以Ti3C2Tx为电极材料的电化学驱动器。作者利用二维Ti3C2Tx材料具有柔性、高电导率和高机械强度等优点，设计出可在空气中和水系电解液中工作的轻质柔性、装配简单、电压窗口低、形变大、循环稳定性高的电化学驱动器。以Ti3C2Tx为电极材料的驱动器在硫酸电解液中显示了高的曲率变化（0.083 mm-1），在固态电解质中具有高循环稳定性（10,000次循环后驱动性能仍能保持在初始时的80.4%）。此外，作者将MXene驱动器设计成模拟机械手臂工作的器件，有望应用于人工肌肉、传感器、柔性机器人等领域。
图1:硫酸电解液下Ti3C2Tx驱动器工作原理示意图，电化学和驱动性能表征。（a）Ti3C2Tx电极的截面扫描SEM图像。（b）驱动器在1 M H2SO4电解液中原理示意图（曲率对应于2 mV/s扫速）。（c）CV曲线。（d）曲率随电压的变化。（e）不同扫速下曲率和应变改变。
要点1：二维层状Ti3C2Tx材料在H2SO4中显示出最大的容量，作者首先设计了可在硫酸电解液中工作的驱动装置。CV曲线与之前报道相似，容量从2 mV/s时272 F/g到100mV/s时72 F/g低于当前报道的Ti3C2Tx超级电容器，这源于较长较厚的电极材料和装置。在CV测试的同时记录了每个电压点下的曲率改变，图1d可以看出驱动性能随着扫描速率增加而降低，与电容成正比，说明驱动性能是与电化学性能密切相关的。该团队之前的研究结果表明，在硫酸电解液中Ti3C2Tx的储能机理为插层式赝电容，在循环过程中，Ti3C2Tx的晶格发生了膨胀和收缩，从而产生驱动现象（Adv. Funct. Mater. 2019, 29(29), 1902953）。在2mV/s扫速下获得了最大的曲率和应变改变为0.081mm-1，0.289%，其驱动性能优于之前报道的纯石墨烯驱动器。
图2:固态电解质下Ti3C2Tx驱动器工作原理示意图，电化学和驱动性能表征。（a）MXene机器手臂示意图。（b）Ti3C2Tx/PVAH2SO4/Ti3C2Tx 驱动器装置示意图。（c）在2mV/s驱动器运动示意图。（d）CV曲线。（e）曲率随电压的变化。（f）不同扫速下曲率和应变改变。
要点2：在硫酸中Ti3C2Tx驱动性能非常优异，但在实际应用中驱动器不可能在水系电解液中工作。像图2a中机械手臂是需要在空气中工作。因此，作者设计了固态MXene驱动器的模型，两个对称的Ti3C2Tx电极由PVA-H2SO4电解质隔开（图2b）。从CV曲线可以看出，随着扫描速率的增加，曲线电阻随之变得更大，最高容量为55F/g（2mV/s），当扫速大于50mV/s时，容量基本为0。这归咎于固态电解质的低电导率，使得氢离子在固态电解质中的迁移、扩散、插层速度慢。因此，这也使得固态电解质下的驱动性能低于硫酸电解液下，其得到的最大曲率和应变为0.0323 mm?1和0.227%，分别为硫酸下性能的40%和78%，但该性能仍优于之前报道的大部分驱动器。
图3: Ti3C2Tx驱动器长循环性能。（a）在500mA g-1恒电流充放电条件下弯曲曲率的变化。（b）在PVA-H2SO4电解质中Ti3C2Tx驱动器长循环性能。
要点3：对于驱动器实际应用最重要的一个参数是驱动器的循环寿命。驱动器在500 mA g-1电流密度下进行10,000圈长循环。起初，驱动性能会随着循环圈数增加，在1000圈达到最大，这归因于氢离子在MXene层间渗透作用的增加。随后曲率开始衰减，在10,000圈长循环后驱动性能仍能保持初始时的80.4%。
视频：MXene机械手臂。
要点4：作者将MXene驱动器模拟设计成机械手臂，视频中驱动器可以提起比自身重2.8倍的重物，显示了MXene驱动器的应用前景，如电开关，传感器，可调镜头等其他领域。
【总结】
虽然由于二维MXenes材料层间堆叠结构使其离子扩散速度慢驱动响应速度慢，但可以通过优化驱动装置的设计、使用更薄的固体电解质，电压窗口更大的有机电解液等来提高驱动性能。目前为止已有30余种MXenes被成功合成，每种材料都有不同的电化学和机械性能，这为MXenes材料在电化学驱动器领域的探索提供了更多选择。
Ti3AlC2 (400 mesh, purchased from Jilin 11 Technology Co.,Ltd.)
Di Pang, Mohamed Alhabeb, Xinpeng Mu, Yohan Dall’Agnese, Yury Gogotsi, and Yu Gao, Electrochemical Actuators Based on Two-Dimensional Ti3C2Tx (MXene), Nano Letters 2019 19 (10), DOI:10.1021/acs.nanolett.9b03147
Yury Gogotsi（通讯作者）
尤里·高果奇，欧洲科学院院士，ACS Nano副主编。尤里·高果奇院士是世界碳材料和储能领域的著名领军人物，是新型二维导电碳材料MXenes的发明人之一，该类材料在储能领域掀开了崭新的篇章。自2014年起连续5年被评为“全球高被引”学者，其中2017年至2019年连续3年在“化学”“材料”双领域入选，被评为“世界最有影响力的科学家”之一，2018年ClarivateAnalytics评判其工作具有诺贝尔奖地位。其在Science、Nature及其子刊发表论文34篇，SCIE检索论文800余篇，引用6万余次，其H影响因子高达117。
高宇（通讯作者）
吉林大学物理学院副教授，博士生导师。2010-2011年在美国Drexel大学Yury Gogotsi教授组进行联合培养。2012 年博士毕业后加入新型电池物理与技术教育部重点实验室，并留校任教。在电化学储能材料制备、物理性能和电化学性能表征等方面已经得到了一些有价值的研究成果。参与完成了多项国家、省部级科研项目以及企业项目。研究团队在新型二维储能材料方向取得了一定进展，在电极材料的理论设计、制备合成、以及表征分析等方面积累了丰富的研究经验。至今共发表了包括Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、ACS Energy Letters、Energy Storage Materials、Nano Letters等国际知名杂志在内的SCI论文50余篇，申请发明专利6项。
Yohan Dall’Agnese（通讯作者）
现任英国伦敦大学学院（University College London）讲师，硕士和博士生导师。2016年3月分别于美国Drexel University以及法国Université Paul Sabatier -Toulouse Ⅲ 获得双博士学位，师从国际碳素材料带头人Yury Gogotsi教授以及国际著名电化学领域专家Patrice Simon教授。2016年4月-2018年12月先后任职于日本信州大学（博士后）和中国吉林大学（物理学院外籍副教授）。目前课题组主要研究方向为MXenes材料的基础和应用研究，探索其在锂离子电池，钠离子电池以及超级电容器等储能方面的性能。研究兴趣为应用于能量存储和转化（锂离子电池，钠离子电池，超级电容器，太阳能电池，光催化等）的新型纳米材料的设计，制备以及电化学性能研究。已发表多篇国际高水平SCI文章，其中包括Science, Nature Communications, ACS Nano, Nano Energy, Advanced Functional Materials等。他引超过2500次。目前为ACS Nano, Journal of Materials Chemistry A, Electrochemistry Communications, Energy Storage Materials, Journal of Power Sources等国际著名学术期刊审稿人。
