MXene诱导的纳米花状LDH异质结构的界面工程，用于提高二氧化碳捕获能力

《Separation and Purification Technology》：Interfacial engineering of MXene-induced nanoflower-like LDH heterostructures for enhanced CO? capture

纳米花状层状双氢氧化物原位生长于MXene基体表面，通过调控金属离子比例（Mg2?/Al3?=3:1）实现界面电荷分布优化与结晶动力学调控，抑制纳米片堆叠并充分暴露羟基活性位点，形成扩展的CO?传输通道，显著提升复合材料吸附性能。

　　

作者：Ju Xiaoqian | Feng Xiangbo | Duan Xinbo | Cui Baolu | Huang Genghuai | Chen Yue | Tong Xin | Yang Zhiyuan | Guo Pu | Xu Shudong | Shi Jian-Wen

中国陕西省液晶聚合物智能显示重点实验室，国家石油和化工行业液晶聚合物基柔性显示技术重点实验室，西安交通大学材料与能源科学技术研究院（TIMES），西安 710123

摘要

层状双氢氧化物（LDHs）因其独特的结构和性能而被广泛用于开发和设计高效的二氧化碳（CO₂）捕获材料。然而，LDH纳米片的聚集往往会掩盖其活性位点并阻塞扩散通道，从而限制了其CO₂捕获能力。本文报道了一种界面工程策略，通过在碱处理的MXene基底上原位生长纳米花状LDH（NFL）来构建高效的吸附剂。MXene的碱处理引入了丰富的表面官能团，这些官能团与优化的Mg²⁺/Al³⁺比例（3:1）协同作用，引导NFL的异质结晶，从而防止纳米片堆叠并完全暴露羟基位点。机理研究表明，金属比例控制着成核动力学和界面电荷分布，这一点通过密度泛函理论（DFT）计算得到了验证。因此，所得的MXene/LDH异质结构表现出增强的CO₂捕获能力，这归因于暴露的活性位点以及通过界面调控改善的质量传递路径。本研究为基于LDH的混合材料在气体捕获领域的设计提供了新的见解。

引言

化石能源的利用推动了工业革命，但由此产生的CO₂排放也导致了严重的环境问题[1]。CO₂捕获和利用（CCU）技术是解决能源和环境问题的必要途径。CCU技术的关键在于高性能吸附材料的设计和开发[2]。层状双氢氧化物（LDHs）具有结构记忆效应、离子交换性能、可调节的形态和热稳定性等优异特性，使其成为储能、催化、水处理和吸附等领域的有效材料[[3], [4], [5]]。值得注意的是，-OH官能团在LDH表面广泛分布[6]。因此，将LDH剥离成单层或少层纳米片可以提高其性能和应用范围，为LDH作为CO₂捕获材料开辟了新的前景[7]。将LDH应用于CO₂捕获可以显著降低吸附剂成本并促进其大规模应用。然而，在实际应用之前，仍需显著提高其捕获能力。不幸的是，一旦从剥离系统中去除溶剂，剥离的LDH会重新聚集为其原始形态，导致吸附能力下降。因此，保持LDH的层状结构及其层间空间的可访问性仍然具有挑战性[8]。

为了解决这些挑战，通常将LDH与其他基底材料复合，在此过程中纳米片在基底表面生长而不发生自聚集[9,10]。自2011年MXene问世以来，其独特的二维结构、高密度、可调的表面官能团和优异的机械性能使其成为复合材料领域的研究热点[11], [12], [13]。通过将MXene材料与LDH结合使用，其性能可以得到显著提升。特别是，将LDH纳米片（LDH-NS）负载到MXene纳米片上可以有效缓解团聚现象[14,15]。然而，LDH在MXene表面的生长机制尚不清楚。此外，LDH在结晶过程中的形态变化也尚未揭示。关于MXene/LDH复合材料的CO₂捕获性能的研究较少，捕获机制也尚未明确。

在这项工作中，我们展示了一种界面工程策略，通过精确控制金属离子比例（Mg²⁺/Al³⁺ = 3:1）来调控碱处理MXene基底上纳米花状LDH（NFL）的成核。与LDH-NS相比，纳米花状LDH更有利于暴露-OH官能团。同时，研究了影响复合材料中LDH形态的因素，并确定了NFL的生长机制。结果表明，层状结构中金属离子的比例决定了LDH在MXene表面的生长形态。最后，通过吸附等温线表征了吸附过程的强度和性质。研究发现，LDH花瓣的交叉结构扩展了CO₂的传输通道，而丰富的-OH官能团增强了与CO₂的相互作用。这种独特的形态不仅拓宽了MXene/LDH纳米复合材料（MLDH）的应用范围，还有助于实现高性能。

材料

所有试剂均直接使用，无需进一步处理。所有样品和试剂的规格及制造商信息详见支持信息（SI）。

MXene的剥离

MXene的剥离采用HCl/LiF溶液进行，方法如Dhidiu等人首次报道[16]。具体操作步骤见SI。

MXene的碱处理

首先，将0.5克MXene加入含有5 wt% NaOH的50毫升溶液中，然后在室温下搅拌24小时。

MXene/LDH纳米复合材料的表征

使用XRD确定了MAX和剥离后的MXene的结构，如图1a所示。MXene的(002)特征峰从MAX的9.49°移动到了6.19°，表明MXene已成功剥离且层间距增大[17]。如图1b所示，MLDH-3的XRD图谱显示了MgAl-LDH（No. 89–5434）的所有典型峰[18]，表明MLDH-3复合材料中同时含有LDH和MXene。

结论

总之，我们开发了一种界面工程策略来制备MXene/LDH纳米复合材料，其中碱激活的MXene（-OH官能团）与优化的Al³⁺: Mg²⁺比例（2:1）之间的协同作用决定了NFL的层次化生长。得益于其纳米花状结构，MLDH-3纳米复合材料具有可访问的-OH官能团和层间通道，从而提高了CO₂捕获性能。这种方法解决了纳米片聚集的问题。

作者贡献声明

Ju Xiaoqian：撰写 – 原稿撰写、实验设计、数据整理、概念构思。 Feng Xiangbo：撰写 – 审稿与编辑、指导、实验设计、资金获取、数据分析。 Duan Xinbo：资源提供、实验协助。 Cui Baolu：实验设计、数据整理。 Huang Genghuai：实验设计、数据分析。 Chen Yue：实验设计、数据分析。 Tong Xin：实验设计、数据分析。 Yang Zhiyuan：撰写 – 审稿与编辑、实验设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号52306165）、西安市科学技术局社会发展科技创新示范项目（项目编号2024JH-CXSF-0020）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2025JC-YBQN-191）、陕西省“双链”融合重点项目（项目编号2023-LL-QY-05）、陕西省高校青年创新团队（项目编号23JP186）以及西安交通大学的支持。