MXene二维材料的应用

mxene二维材料的应用
技术领域
1.本发明涉及化学材料技术领域，具体是指一种mxene二维材料的应用。


背景技术：

2.2011年8月22日，美国德雷塞尔大学yury gogotsi教授和michel w.barsoum教授等人在《advancedmaterials》上首次报道了具有二维层状结构的过渡金属碳化物ti3c2tx mxene。由于mxene具有独特的物理化学性质，如类金属的导电性、丰富的表面官能团、良好的柔性和亲水性、优异的机械强度、结构的多样性等，在过去十年间受到了研究人员的广泛关注。在制备方法方面，含氟刻蚀法、电化学刻蚀法、碱刻蚀法、熔融盐刻蚀法等相继实现了mxene的制备；在形态方面，从多层到近原子层厚度的mxene，从宏观尺寸的膜到数个纳米的量子点都被报道；在应用方面，独特的物理化学性质使得mxene广泛应用于储能、传感、催化、电磁屏蔽、水处理等领域，如德雷赛尔大学的mohamedalhabeb和christine b.hatter(共同通讯作者)等人证实一些mxenes及其聚合物复合材料在电磁干扰屏蔽上有着潜在的用途。45微米厚的ti3c2tx薄膜电磁干扰屏蔽效应可达到92db，这是迄今所制造的合成材料中屏蔽性能表现的最佳的材料。如此良好的性能则源于ti3c2tx薄膜极佳的电导性及在无支撑薄膜中ti3c2tx薄片的多重内反射。mxenes及其复合材料因其机械柔和性及易于涂层的能力使其可作为任何形状的物品的屏蔽层，同时还保全着其高电磁干扰屏蔽性能。此外，mxene卓越的光热性能跟石墨烯相当，近年来这方面的应用已从海水净化扩展到肿瘤的光热治疗。但其磁热性能却未见报道。
3.目前具有磁热性能的材料广泛用于磁热治疗、磁制冷等，但传统具有磁热功能的材料如不锈钢，其质量较mxene材料大，限制了其在无线微器件上的进一步应用。而mxene材料质量超轻且生物相容性好，可用于航空航天、医学等领域。
4.此外，由于热是一种可转化为电的能量来源，基于热电换能方式的微型电(子)器件由于机制简单，器件性能稳定，可以跟先进mems技术结合，形成高能量密度输出，成为微器件领域的研究热点。热电微器件的性能取决于材料的zt值大小，及设备两端的温度差，材料如果定了，热电腿的大小取决于制备工艺，但在产生电的源头-温度差这里，热电器件在人体的应用遇到了瓶颈，因为人体是基本恒温的，所以热电器件直接作为植入性器件在生物医用方面的应用较少。
5.如果存在一种高效率产热且生物相容性好的材料，能在极短的时间(30秒之内)内,将磁场能量转化形成目前成熟可用的热电材料产电所需的温差(5t)，满足生成电信号的同时材料的升温及磁场的热效应都不会产生生物毒性，那么基于热电机制的微器件便能成为植入式无线微器件应用了。


技术实现要素：

6.本发明旨在针对热电器件直接作为植入性器件在生物医用方面遇到的技术瓶颈问题，通过材料新功能发现及器件设计发明，来打破现有技术中存在的壁垒。。为此，本发明
的一个目的在于提出一种mxene二维材料，尤其指ti3c2tx组分的mxene，其新性能及新功用，将该mxene二维材料及其磁热性能应用于无线微器件或电源中。
7.为了解决上述技术问题，本发明提出mxene二维材料的应用，所述的mxene二维材料加工成超细的线或超薄的膜用于制备无线微器件或电源。
8.一种无线微器件，包括权利要求1所述的mxene二维材料。
9.一种电源，包括权利要求1所述的mxene二维材料，由mxene二维材料与热电材料结合制成。
10.本发明与现有技术相比的优点在于：
11.(1)mxene材料为一种超轻、超薄纳米材料，制成的产品体积小、重量轻，在磁场中可以速热，在几秒钟时间内快速从室温升至100℃；
12.(2)有利于无线微器件的轻量化及小型化，扩大无线微器件的应用范围；
13.(3)其超高的磁热转换性能，使基于热电转换机制的无线微器件应用作植入式医疗电子器件成为可能。
14.(4)mxene材料与热电材料结合形成的新型电源相比基于电感线圈的磁电转换，较少依赖于信号源和信号接收器之间的距离和对准，相比磁致伸缩-压电换能，有更多的材料选择，器件设计也更灵活，相比纳米摩擦发电，更适合损伤部位的研究和治疗。
15.上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明mxene材料在375khz高频磁场中的红外热像仪检测结果0s时的示意图。
18.图2是本发明mxene材料在375khz高频磁场中的红外热像仪检测结果5s时的示意图。
19.图3是本发明mxene材料在375khz高频磁场中的红外热像仪检测结果10s时的示意图。
20.图4是本发明mxene材料在375khz高频磁场中的红外热像仪检测结果15s时的示意图。
21.图5是本发明mxene材料在375khz高频磁场中的红外热像仪检测结果20s时的示意图。
22.图6是本发明mxene材料在375khz高频磁场中的红外热像仪检测结果25s时的示意图。
23.图7是本发明mxene材料在375khz高频磁场中的温度变化示意图。
24.图8是本发明将mxene材料包裹在水凝胶中在375khz高频磁场中的红外热像仪
5min时检测结果示意图。
25.图9是本发明将mxene材料包裹在水凝胶中在375khz高频磁场中的红外热像仪15min时检测结果示意图。
26.图10是本发明将mxene材料包裹在水凝胶中在375khz高频磁场中的红外热像仪25min时检测结果示意图。
27.图11是本发明将mxene材料包裹在水凝胶中在375khz高频磁场中的红外热像仪60min时检测结果示意图。
28.图12是本发明包裹在水凝胶中的mxene材料在375khz高频磁场中的温度变化示意图。
29.图13是本发明mxene材料磁热原理图。
30.图14是本发明热电转换原理图。
31.图15是本发明mxene材料用于制作电源的示意图。
具体实施方式
32.下面详细描述本技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
33.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
34.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
35.利用max相可侵蚀得到多种性能不同的mxene。目前，已研发问世的mxene主要有ti3c2tx、ti2ctx、nb2ctx、mo2ctx、ti4n3tx、ta4c3tx、cr2tic2tx、v2ctx、zr3c2tx、(nb0.8zr0.2)4c3tx等，mxene具有二维材料的典型特征，其导电性优、润滑性好，以其为原料，可以开发膜材、纤维、气凝胶、水凝胶等多种产品形态，也可以与高分子聚合物配合使用，制备多功能复合材料。
36.结合附图1～图7，从图中可知，mxene材料在375khz高频磁场中会急速升温，撤掉磁场后又会急速降温，证明mxene材料具有良好的磁热响应性能，mxene材料作为一种超轻、超薄的纳米材料，可以做成超细的线或超薄的膜用于无线微器件，如微型磁热手术刀等，其可在几秒钟从室温升至100℃。
37.下表为mxene材料在375khz高频磁场中0s、5s、10s、15s、20s、25s时的检测温度：
38.时间/s0s5s10s15s20s25s温度/℃25.962.293.593.896.736.4
39.结合附图8～图12，将mxene材料包裹在水凝胶中放置在375khz高频磁场中对其温度变化进行检测，相比高频磁场的线圈，红外热像仪却监测不到包裹材料的迅猛升温，mxene材料包裹在水凝胶中，整个过程温度最终稳定在29℃左右，适合人体器件使用，而且也能说明水凝胶能很好地阻隔缓冲热效应，可作为应用器件的外壳。
40.下表为包裹在水凝胶中的mxene材料在375khz高频磁场中5min、15min、25min、60min时的检测温度：
41.时间/min5min15min25min60min温度/℃23.927.227.528.8
42.结合附图13～图15，本技术中将mxene材料与热电材料结合即基于磁热+热电耦合后，将磁场能量转换为电能，采用此种组合制作电源可用于无线微器件中。
43.mxene材料磁热原理如下式：
[0044][0045]
热电转换原理如下式：
[0046]
δe＝s
·
δt
[0047]
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.mxene二维材料的应用，其特征在于：所述的mxene二维材料，组分包括ti2co2/ti3c2o2/ti3c2f2/ti3c2(oh)2/sc2co2/sc2cf2/sc2c(oh)2/mo2cf2/zr2co2/hf2co2等；形态包括薄膜型，细丝型，用于高效产热，从而作为无线微器件电源材料。2.一种无线微器件，其特征在于：用权利要求1所述的mxene二维材料经磁场产生无线电信号。3.一种电源，其特征在于：基于磁热-热电转换机制，用权利要求1所述的mxene二维材料，为热电信号产生的热端。

技术总结
本发明公开了一种MXene二维材料的应用，涉及化学材料技术领域，本发明提出MXene二维材料的应用，所述的MXene二维材料加工成超细的线或超薄的膜用于制备无线微器件或电源。本发明的优点在于：MXene材料为一种超轻、超薄纳米材料，制成的产品体积小、重量轻，在磁场中可以速热，在几秒钟时间内快速从室温升至100℃；有利于无线微器件及植入式微器件的轻量化及小型化，扩大无线微器件及植入式微器件的应用范围；MXene材料与热电材料结合形成的新型电源相比基于电感线圈的磁电转换，较少依赖于信号源和信号接收器之间的距离和对准，相比磁致伸缩-压电换能，有更多的材料选择，器件设计也更灵活，相比纳米摩擦发电，更适合损伤部位的研究和治疗。研究和治疗。研究和治疗。


技术研发人员：秦瑶 安巍 黄思渝
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/23