目錄TOC\o"1-3"\h\u13740摘要 32459Abstract 41133第一章緒論 5210001.1研究背景與意義 523561.1.1研究背景 5136081.1.2研究意義 5267741.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6259471.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 6130671.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 688161.3本論文研究?jī)?nèi)容與整體安排 77570第二章Ti3C2TxMxene的制備與表征 861862.1Ti3C2TxMxene的制備 8196122.1.1Ti3C2TxMxene的制備方法 8189482.1.2Ti3C2TxMxene的制備步驟 8110732.2.1形態(tài)特征 9159012.2.2元素組成 10227832.2.3分子結(jié)構(gòu) 12267332.2.4熱力學(xué)穩(wěn)定性 1319094第三章Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換性能 1583693.1光熱轉(zhuǎn)換原理 15242663.2Ti3C2TxMXene光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試 15180第四章結(jié)果與討論 18281634.1結(jié)果分析 18137894.2討論 1821546第五章總結(jié)與展望 20266645.1總結(jié) 20118265.2展望 21107425.3結(jié)語(yǔ) 214402參考文獻(xiàn) 2216219附錄 2528406致謝 26

摘要二維過(guò)渡金屬碳化物也就是MXene，因其有出色的物理化學(xué)特性，在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注，在本課題中，研究對(duì)象選定為T(mén)i3C2TxMXene，采用氟化鹽也就是LiF/HCl刻蝕法，取代傳統(tǒng)的氫氟酸刻蝕工藝，對(duì)制備流程加以優(yōu)化，以此提升材料的純度，同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。借助透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、拉曼光譜、X射線光電子能譜以及熱重分析等多種手段，對(duì)材料的超薄層狀結(jié)構(gòu)、元素均勻分布情況、表面官能團(tuán)組成以及熱穩(wěn)定性展開(kāi)了系統(tǒng)的表征，其熱穩(wěn)定性在350℃下失重率僅為7.86%，光熱性能測(cè)試的結(jié)果顯示，材料濃度與激光功率對(duì)光熱效率有著十分突出的影響：在0到1.5mg/mL的范圍內(nèi)，升溫速率會(huì)隨著濃度的增加而提高，然而當(dāng)濃度超過(guò)1.5mg/mL時(shí)，由于團(tuán)聚效應(yīng)，光熱效率會(huì)出現(xiàn)下降，在2W/cm2激光功率的條件下，1.0mg/mL的樣品呈現(xiàn)出了最優(yōu)的平衡性，升溫速率為8.2℃/min，兼具高效性以及生物安全性。研究所得結(jié)果為T(mén)i3C2TxMXene在光熱治療、海水淡化等領(lǐng)域的應(yīng)用給予了理論與技術(shù)方面的支持，未來(lái)還需要分析其長(zhǎng)期穩(wěn)定性、微觀作用機(jī)制以及生物相容性，推動(dòng)實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展。關(guān)鍵詞：Ti3C2TxMXene；氟化鹽刻蝕法；光熱轉(zhuǎn)換

AbstractTwo-dimensionaltransitionmetalcarbides,namelyMXene,havereceivedextensiveattentioninthefieldofphotothermalconversionduetotheirexcellentphysicochemicalproperties.Inthisproject,theresearchobjectwasselectedasTi3C2TxMXene.Thefluoridesalt,namelyLiF/HCletchingmethod,wasadoptedtoreplacethetraditionalhydrofluoricacidetchingprocessandoptimizethepreparationprocess.Thisistoimprovethepurityofthematerialsandreducetheexperimentalrisksatthesametime.Bymeansofvariousmethodssuchastransmissionelectronmicroscopy,scanningelectronmicroscopy,Ramanspectroscopy,X-rayphotoelectronspectroscopyandthermogravimetricanalysis,theultrathinlayeredstructure,uniformdistributionofelements,compositionofsurfacefunctionalgroupsandthermalstabilityofthematerialweresystematicallycharacterized.Theweightlossrateofitsthermalstabilityat350℃wasonly7.86%.Theresultsofthephotothermalperformancetestshowthatthematerialconcentrationandlaserpowerhaveaveryprominentinfluenceonthephotothermalefficiency:Withintherangeof0to1.5mg/mL,theheatingratewillincreasewiththeincreaseofconcentration.However,whentheconcentrationexceeds1.5mg/mL,duetotheagglomerationeffect,thephotothermalefficiencywilldecrease.Undertheconditionofalaserpowerof2W/cm2,thesampleat1.0mg/mLshowstheoptimalbalance.Theheatingrateis8.2℃/min,featuringbothhighefficiencyandbiologicalsafety.TheresearchresultsobtainedhaveprovidedtheoreticalandtechnicalsupportfortheapplicationofTi3C2TxMXeneinfieldssuchasphotothermaltherapyandseawaterdesalination.Inthefuture,itisnecessarytoanalyzeitslong-termstability,microscopicmechanismofactionandbiocompatibilitytopromotethedevelopmentofpracticalapplications.KeyWords:Ti3C2TxMXene;Fluoridesaltetchingmethod;PhotothermalconversionTi3C2TxMXene制備表征及其光熱轉(zhuǎn)換性能研究緒論1.1研究背景與意義1.1.1研究背景MXene是過(guò)渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物的統(tǒng)稱，其一般以Mn+1XnTx的形式命名，其中M為早期過(guò)渡金屬（Ti、Hf、Zr、Nb、V、Cr、Sc等），X為碳或氮REF_Ref28225\r\h[1]，n一般為1～3，T為從合成過(guò)程中繼承的表面基團(tuán)，通常為-0H、-O和-FREF_Ref14501\r\h[2]。自2011年YuryGogotsi教授和MichelBarsoum教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)二維碳化鈦（Ti3C2TxMXene）以來(lái)REF_Ref4141\r\h[3],因其獨(dú)特的層狀二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機(jī)械性能、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、生物相容性、電磁波吸收能力、光熱轉(zhuǎn)換能力，使其在航天航空REF_Ref4455\r\h[4]、電磁屏蔽REF_Ref4504\r\h[5]、儲(chǔ)能裝置REF_Ref4549\r\h[6]、光催化REF_Ref4612\r\h[7]和生物醫(yī)學(xué)REF_Ref4680\r\h[8]等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，引起了廣泛的關(guān)注。尤其是在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,Ti3C2TxMXene的內(nèi)部光熱轉(zhuǎn)換效率經(jīng)水滴光加熱系統(tǒng)和數(shù)學(xué)程序測(cè)量為100%，顯示出了完美的能量轉(zhuǎn)換特性，使其成為潛在的高效的光熱轉(zhuǎn)換材料。此外，Ti3C2TxMXene的電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、刻蝕方式固定、產(chǎn)率也相對(duì)較高，這些因素使其能夠被廣泛應(yīng)用。已有相關(guān)研究表明，Ti3C2TxMXene具有高紅外特性和高光熱轉(zhuǎn)換效率REF_Ref4726\r\h[9]，且易于進(jìn)行尺寸控制和表面功能化，使其在光熱治療REF_Ref4762\r\h[10]、海水淡化REF_Ref4794\r\h[11]等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。1.1.2研究意義Ti3C2TxMXene作為一種新型二維材料，因其具有多種優(yōu)異的物理化學(xué)性能被廣泛關(guān)注。通過(guò)本課題深入研究Ti3C2TxMXene的制備工藝、表征分析及其光熱轉(zhuǎn)換性能，可以為其進(jìn)一步應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，為新材料的發(fā)展提供新的思路。且隨著氣候變化和社會(huì)發(fā)展，全球淡水資源日益短缺，傳統(tǒng)化石資源日益枯竭，大力推動(dòng)海水淡化技術(shù)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。通過(guò)開(kāi)發(fā)新型光熱轉(zhuǎn)換材料，可以有效提高太陽(yáng)能的利用率，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；此外，已有相關(guān)研究實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化，較以往人們獲得清潔水資源的方法而言，成本更低、可持續(xù)性也更強(qiáng)REF_Ref4840\r\h[12]。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外在MXene的基礎(chǔ)性質(zhì)研究與前沿探索上更具優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)則在應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的表現(xiàn)突出，二者均致力于MXene的可控制備、穩(wěn)定性提升及多場(chǎng)景應(yīng)用，光催化、儲(chǔ)能及環(huán)境修復(fù)已成為當(dāng)前的焦點(diǎn)。1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在近些年的研究中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)REF_Ref15774\r\h[13]通過(guò)化學(xué)刻蝕-溶劑熱法合成了Ti3C2-MXene/CuS復(fù)合材料，并進(jìn)一步通過(guò)真空抽濾將其負(fù)載于親水性聚偏二氟乙烯（PVDF）膜上，構(gòu)建了Ti3C2-MXene/CuS/PVDF復(fù)合光熱膜，用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)及海水淡化研究。武漢科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)刻蝕Ti3AlC2前驅(qū)體制備少層Ti3C2Tx（DL-Ti3C2Tx），并采用溶劑熱法以二甲基亞砜為溶劑，在不同溫度下氧化DL-Ti3C2Tx來(lái)制備TiO2/DL-Ti3C2Tx復(fù)合材料REF_Ref15830\r\h[14]，且其在100℃條件下展現(xiàn)出了最佳光催化性能、高效電荷分離與可見(jiàn)光響應(yīng)特性，這為未來(lái)設(shè)計(jì)低成本、高活性光催化劑提供了重要參考。為解決MXene作為電極材料時(shí)因易自堆積而導(dǎo)致其活性表面不能充分暴露的問(wèn)題，山西大學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于MXene復(fù)合物的三維多孔泡沫和三維三明治型結(jié)構(gòu)，并闡明了復(fù)合材料組成與性能之間的關(guān)系REF_Ref15892\r\h[15]?？傊?，國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究重心多在Ti3C2TxMXene的應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)、環(huán)境修復(fù)以及產(chǎn)業(yè)化探索，且在能源與環(huán)境領(lǐng)域成果突出。1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀自美國(guó)Drexel大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次刻蝕出Ti3C2TxMXene材料后，便以相同的制備方法刻蝕出了其余的二維過(guò)渡金屬碳（氮）化物，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出了MXene大規(guī)模合成反應(yīng)裝置。后續(xù)Ghidiu等人提出了用LiF和HCl復(fù)合刻蝕代替HF刻蝕來(lái)制備Ti3C2TxMXeneREF_Ref15980\r\h[16]，解決了HF毒性大、腐蝕性強(qiáng)以及易污染環(huán)境的問(wèn)題，完善了MXene材料的制備方法。近年來(lái)，國(guó)外MXene的研究多集中于層間結(jié)構(gòu)的調(diào)控、表面修飾和穩(wěn)定性提升，同時(shí)MXene在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、新興應(yīng)用領(lǐng)域中也備受關(guān)注，例如：2016年，Rasool團(tuán)隊(duì)REF_Ref16052\r\h[17]通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)了Ti3C2TxMXene薄片具有強(qiáng)抗菌活性。2023年，Sijuade團(tuán)隊(duì)REF_Ref16124\r\h[18]介紹了插層對(duì)MXene層之間高層間距的影響并討論了MXene作為超級(jí)電容器和電池電極的性能?？傮w而言，國(guó)外學(xué)者更注重MXene的基礎(chǔ)性質(zhì)探索與其在交叉學(xué)科上的應(yīng)用創(chuàng)新。1.3本論文研究?jī)?nèi)容與整體安排本課題主要研究?jī)?nèi)容為：選擇合適的方法制備Ti3C2TxMXene并分析其相關(guān)表征，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換性能。本論文將分為五個(gè)章節(jié)講述該課題：第一章緒論部分詳細(xì)介紹了本課題的研究背景與意義，以及國(guó)內(nèi)外在MXene方面的研究現(xiàn)狀，最后對(duì)本文結(jié)構(gòu)進(jìn)行概述；第二章詳細(xì)介紹了Ti3C2TxMXene制備方法的選取、制備步驟以及表征測(cè)試；第三章是基于光熱轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試方案；第四章是對(duì)表征與光熱性能測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行討論；第五章則是全文的總結(jié)與展望，分析本課題中存在的局限性，并對(duì)未來(lái)研究工作進(jìn)行展望。

Ti3C2TxMxene的制備與表征2.1Ti3C2TxMxene的制備2.1.1Ti3C2TxMxene的制備方法MXene的合成方法多種多樣，從大體上可以分為自上而下合成法與自下而上合成法，其中自上而下合成法分為刻蝕和分層兩部分，這也是運(yùn)用范圍最廣泛的合成方法；自下而上合成法雖可以制備大面積、高質(zhì)量的MXene，但由于缺乏表面基團(tuán)使這種方法無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域REF_Ref16199\r\h[19]。再根據(jù)刻蝕劑的不同又可以分為HF（氫氟酸）刻蝕法、氟化鹽刻蝕法以及路易斯酸熔鹽刻蝕法。HF刻蝕法的作用原理是HF會(huì)選擇性的破壞MAX相材料中元素A與M之間的金屬鍵REF_Ref30844\r\h[20]，不影響M-X鍵，但HF具有較強(qiáng)的毒性且HF濃度過(guò)高時(shí)會(huì)破壞MAX層間距，從而導(dǎo)致MXene產(chǎn)物的純度降低。氟化鹽刻蝕法是利用LiF和HCl復(fù)合刻蝕代替HF刻蝕，其作用原理與HF刻蝕法相同，但在HF刻蝕法的基礎(chǔ)上提高了實(shí)驗(yàn)的安全性，降低了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，同時(shí)減少了MXene產(chǎn)物的缺陷。路易斯酸熔鹽刻蝕法則是根據(jù)氧化還原電位選擇合適的路易斯對(duì)MAX相進(jìn)行刻蝕從而得到相應(yīng)的MXene產(chǎn)物，這種方法使MXene表面的官能團(tuán)變得更加多變、可控REF_Ref16627\r\h[21]。綜上所述，考慮到實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性、MXene產(chǎn)物的性能以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全性等各種因素，本課題將選擇氟化鹽刻蝕法作為T(mén)i3C2TxMXene的制備方法。2.1.2Ti3C2TxMxene的制備步驟本課題采用氟化鹽刻蝕法經(jīng)多種步驟制備Ti3C2TxMXene，具體操作方法如下：將2gLiF加入到40mL的9M鹽酸溶液中，攪拌10分鐘。向35℃的酸性溶液中緩慢加入2gTi3AlC2，攪拌24小時(shí)。然后將上述酸性溶液洗凈后，使用離心機(jī)在4000轉(zhuǎn)/分下離心5分鐘。當(dāng)溶液pH達(dá)到6時(shí)，收集沉淀物并加入去離子水中，超聲降解20分鐘在4000轉(zhuǎn)/分離心2小時(shí)的作用下，最終可以得到Ti3C2TxMXene。圖2.1Ti3C2TxMXene制備流程圖2.2Ti3C2TxMxene的表征本課題將采用合適的方法從形態(tài)特征、元素組成、分子結(jié)構(gòu)以及熱力學(xué)穩(wěn)定性四個(gè)方面對(duì)制備的Ti3C2TxMXene進(jìn)行表征分析。將使用透射電子顯微鏡（賽默飛，美國(guó)）與原子力顯微鏡（布魯克，德國(guó)）來(lái)觀察Ti3C2TxMXene的形貌特征；使用掃描電子顯微鏡（蔡司，德國(guó)）與X射線光電子能譜儀（賽默飛，美國(guó)）檢測(cè)Ti3C2TxMXene的組成元素；利用拉曼光譜（掘場(chǎng)，日本）和傅立葉紅外光譜（賽默飛，美國(guó)）分析Ti3C2TxMXene的分子結(jié)構(gòu)；采用熱重分析儀（TA，美國(guó)）檢測(cè)Ti3C2TxMXene的熱力學(xué)穩(wěn)定性。2.2.1形態(tài)特征（1）透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)透射電子顯微鏡（TEM）的作用機(jī)制是電子槍發(fā)射出電子束，聚光后照射在樣品室內(nèi)的樣品上；透過(guò)樣品后的電子束攜帶有樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，樣品內(nèi)致密處透過(guò)的電子量少，稀疏處透過(guò)的電子量多，處理后轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光影像以分析材料的形態(tài)特征REF_Ref31030\r\h[22]。具體操作流程如下所示：制樣：用酒精作為分散劑，將材料置于分散劑后，使用超聲波清洗器將樣品分散，取一滴分散均勻的樣品溶液滴到放在濾紙上的銅網(wǎng)上，等待15分鐘即可拍攝透射電子顯微鏡圖像：找視野：點(diǎn)擊Search，在低倍鏡下找到合適的視野后輕輕旋轉(zhuǎn)Magnification旋鈕，提高放大倍數(shù)；再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Intensity旋鈕直至看到光圈邊界，接著順時(shí)針調(diào)至光圈邊界剛好消失。聚焦（8500X以上）：點(diǎn)擊LiveFFT后旋轉(zhuǎn)Focus旋鈕，使FFT環(huán)逐步變大直至剛好消失，再點(diǎn)擊R2使Defocus歸零；然后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Focus旋鈕,使FFT呈現(xiàn)2～3個(gè)環(huán)(當(dāng)目標(biāo)倍數(shù)小于四萬(wàn)時(shí)，也可調(diào)至FFT最內(nèi)環(huán)直徑約等于左圖正方框邊長(zhǎng))，最后參照左圖輕輕旋轉(zhuǎn)Focus旋鈕適當(dāng)調(diào)節(jié)清晰度。點(diǎn)擊Acquire拍照，保存相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（2）原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)原子力顯微鏡（AFM）是利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力，從而以獲得樣品表面形貌的信息。當(dāng)懸臂因力的作用產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或改變振幅時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)把這種變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后反饋給成像系統(tǒng)，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)束后研究人員會(huì)獲得樣品表面信息圖像。詳細(xì)操作過(guò)程如下：制樣：將樣品（1～5mg）放入去離子水中（10mL）中，經(jīng)超聲處理30分鐘；然后取一滴分散液滴到云母片上靜置10分鐘。拍攝原子力顯微鏡圖像：在選擇測(cè)量模式后安裝探針，緊接著調(diào)整激光、光電探測(cè)器、針尖、聚焦樣品表面以及設(shè)置掃描參數(shù)，在做好前期準(zhǔn)備后就可以開(kāi)始進(jìn)針掃描，并于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖2.2透射電鏡結(jié)果圖圖2.3原子力鏡結(jié)果圖2.2.2元素組成（1）掃描電子顯微鏡（與色散譜聯(lián)用）實(shí)驗(yàn)掃描電子顯微鏡（SEM）是利用二次電子和背散射電子信號(hào)，通過(guò)真空系統(tǒng)、電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)來(lái)獲取樣品的各種物理、化學(xué)性質(zhì)信息REF_Ref31141\r\h[23]。色散譜（EDS）是根據(jù)不同元素的X射線光子特征能量不同對(duì)樣品進(jìn)行成分分析REF_Ref31174\r\h[24]。實(shí)驗(yàn)操作步驟大體為：前期準(zhǔn)備：樣品為粉末狀，可將其直接分散到導(dǎo)電膠上并固定在SEM樣品臺(tái)上，制樣完成后點(diǎn)擊Vent開(kāi)始泄真空，等待幾分鐘后便可以將樣品放入樣品倉(cāng)，接著點(diǎn)擊Pump開(kāi)始抽真空。圖像拍攝：打開(kāi)電壓后找到樣品調(diào)焦，對(duì)目標(biāo)區(qū)域設(shè)置合適的放大倍數(shù)后便可拍攝圖像；能譜測(cè)試只需在此基礎(chǔ)上切換光纜和電壓即可。圖2.4掃描電鏡結(jié)果圖（2）X射線光電子能譜實(shí)驗(yàn)使用X射線去輻射樣品，使原子或分子的內(nèi)層電子或價(jià)電子受激發(fā)射出來(lái)，被光子激發(fā)出來(lái)的電子稱為光電子，可以測(cè)量光電子的能量和數(shù)量，利用X射線光電子能譜技術(shù)（XPS）從而獲得待測(cè)物組成REF_Ref31239\r\h[25]。以下為實(shí)驗(yàn)的操作流程：制樣：用小藥勺將樣品取出后放到鋁箔內(nèi)測(cè)的3M雙面膠上，將放好樣品的鋁箔紙放置在壓片機(jī)中央進(jìn)行壓片，吹掃未粘牢的樣品并剪切至合適尺寸，最后使用3M雙面膠將制好的樣品固定到樣品臺(tái)上。測(cè)試：將樣品轉(zhuǎn)移到儀器樣品室中，設(shè)置待測(cè)元素精細(xì)譜軌道、掃描次數(shù)、通能以及步長(zhǎng)等參數(shù)。在儀器抽好真空后把樣品移至分析室，將樣品與樣品編號(hào)相互對(duì)應(yīng)并聚焦清楚。在中和槍和X射線槍打開(kāi)后即可進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后便可得到對(duì)應(yīng)的圖譜。圖2.5XPS結(jié)果圖2.2.3分子結(jié)構(gòu)（1）拉曼光譜實(shí)驗(yàn)利用拉曼光譜（Raman）的拉曼峰代表相應(yīng)的拉曼散射光的波長(zhǎng)位置和強(qiáng)度，且每個(gè)譜峰對(duì)應(yīng)于一種特定的分子鍵振動(dòng)，對(duì)與\t"/item/%E6%8B%89%E6%9B%BC%E5%85%89%E8%B0%B1/_blank"入射光\t"/item/%E6%8B%89%E6%9B%BC%E5%85%89%E8%B0%B1/_blank"頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，從而分析\t"/item/%E6%8B%89%E6%9B%BC%E5%85%89%E8%B0%B1/_blank"分子結(jié)構(gòu)REF_Ref31327\r\h[26]。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:將樣品放在載玻片上，移動(dòng)載玻片到測(cè)試鏡頭下并進(jìn)行光學(xué)聚焦。進(jìn)行第二次聚焦形成良好的光子收集。選擇合適的激光器在100～800cm-1波數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，并于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后導(dǎo)出測(cè)試結(jié)果。圖2.6拉曼光譜結(jié)果圖（2）傅立葉紅外光譜實(shí)驗(yàn)干涉光通過(guò)樣品池，通過(guò)樣品后含有樣品信息的干涉光到達(dá)檢測(cè)器，然后通過(guò)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到透過(guò)率或吸光度隨波數(shù)或波長(zhǎng)的紅外吸收光譜圖，即傅立葉紅外光譜（FTIR），從而檢定官能團(tuán)、測(cè)定化學(xué)結(jié)構(gòu)等。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)流程如下所示：制樣：將樣品與干燥的溴化鉀粉末一起研磨后放入壓片機(jī)中壓片，得到透明樣品晶片。測(cè)試：將樣品晶片放入樣品倉(cāng)中方可開(kāi)始測(cè)試樣品光譜，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖2.7傅立葉紅外光譜結(jié)果圖2.2.4熱力學(xué)穩(wěn)定性熱重分析（TGA）實(shí)驗(yàn)是指在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度或時(shí)間的關(guān)系，測(cè)定材料在不同溫度下的熱穩(wěn)定性與氧化穩(wěn)定性等與質(zhì)量相聯(lián)系的信息REF_Ref31402\r\h[27]。以下為大體的實(shí)驗(yàn)操作步驟：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前設(shè)置合適的溫度范圍、升溫速率（10℃/min）以及氣體（氧氣氣氛條件）流量等參數(shù)。確保樣品干燥后將其放置在熱重分析儀的樣品盤(pán)上，確認(rèn)無(wú)誤后就可以實(shí)驗(yàn)并記錄、監(jiān)測(cè)樣品的質(zhì)量變化。圖2.8熱重分析結(jié)果圖

Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換性能3.1光熱轉(zhuǎn)換原理光熱轉(zhuǎn)換的原理是指通過(guò)反射、吸收或其他方式將太陽(yáng)輻射集中起來(lái)，并轉(zhuǎn)換成足夠高溫度的過(guò)程REF_Ref31471\r\h[28]；除此之外，高能分子還可以通過(guò)振動(dòng)產(chǎn)生大量的熱從而導(dǎo)致溫度升高。Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換原理則主要基于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，尤其是其局部表面等離子共振（LSPR）效應(yīng)。3.2Ti3C2TxMXene光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試本課題將設(shè)置多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，利用熱激光器發(fā)射激光照射樣品，同時(shí)輔以熱成像紅外相機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度記錄，通過(guò)比較各組樣品的光熱轉(zhuǎn)換情況來(lái)探索Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換性能。光熱轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)根據(jù)其影響因素主要分為變濃度測(cè)試組和變功率測(cè)試組。Ti3C2TxMXene濃度不同對(duì)光熱轉(zhuǎn)換性能的影響在2W/cm2的激光功率條件下，采用808nm激光照射，以不添加Ti3C2TxMXene的CPA溶液（冷凍保護(hù)劑）作為對(duì)照組，并以0.5mg/mLTi3C2TxMXene為濃度梯度另設(shè)置五個(gè)實(shí)驗(yàn)組，同時(shí)用熱成像紅外像機(jī)記錄不同濃度Ti3C2TxMXene在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化。實(shí)驗(yàn)詳細(xì)的操作流程如下所示：制樣：使用電子天平稱取0.855g的海藻糖并將其放置在5mL的離心管中，重復(fù)上述步驟五次。再使用電子天平稱取0.25mg、0.5mg、0.75mg、1.0mg、1.25mg的Ti3C2TxMXene并分別放入上述五個(gè)離心管中，剩余一個(gè)離心管不進(jìn)行任何處理。使用移液槍向六個(gè)離心管中加入0.625mL的丙二醇（PG）以及0.625mL的乙二醇（EG），接著加入M2培養(yǎng)液直至離心管中試劑含量為5mL。最后蓋上離心管并在蓋子上標(biāo)注溶液中Ti3C2TxMXene的含量（0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mg/mL），用封口膜封住離心管管口后將離心管放到超聲波震蕩機(jī)中震蕩，材料分散后方可取出離心管（震蕩時(shí)間通常為30～40分鐘）。測(cè)試：選取合適的背景板，本實(shí)驗(yàn)選擇的是白色泡沫箱子；在箱子的同一水平上插上兩個(gè)移液槍的針頭，調(diào)整針頭位置使離心管能夠固定在兩針頭之間。取出激光器并用鐵架臺(tái)固定激光探頭使其對(duì)準(zhǔn)離心管，調(diào)整激光功率為2W/cm2。安裝熱成像紅外相機(jī)并將其固定在合適的位置，確保離心管中有樣品的部分顯示在界面上，接著連接紅外相機(jī)與電腦以便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存和處理。用移液槍從配置的樣品中各取1mL分別進(jìn)行測(cè)試，為避免實(shí)驗(yàn)的偶然性需重復(fù)實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。圖3.1紅外相機(jī)圖像圖3.2不同濃度Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換測(cè)試（2）不同激光功率對(duì)光熱轉(zhuǎn)換性能的影響在Ti3C2TxMXene變濃度測(cè)試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，測(cè)量1.0mg/mLTi3C2TxMXene在不同激光功率密度下的溫度變化，從而獲得Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)化性能特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置三個(gè)實(shí)驗(yàn)組，互為對(duì)照，每組的激光密度分別為1W/cm2、2W/cm2、3W/cm2。實(shí)驗(yàn)具體操作步驟如下所示：制樣：使用電子天平稱取0.855g的海藻糖和0.5mg的Ti3C2TxMXene，將稱量好的材料放置在5mL的離心管中，再使用移液槍向離心管中加入0.625mL的PG以及0.625mL的EG，接著加入M2培養(yǎng)液直至離心管中試劑總含量為5mL，因?qū)嶒?yàn)需求可多做幾組樣品。測(cè)試：將白色泡沫箱放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，用移液槍的針頭固定5mL的離心管。用鐵架臺(tái)固定激光器的激光探頭使其對(duì)準(zhǔn)離心管。安裝熱成像紅外相機(jī)并將其固定在合適的位置，確保離心管中有樣品的部分顯示在界面上，接著連接紅外相機(jī)與電腦。用移液槍從配置的樣品中取1mL放在固定的離心管中，調(diào)整激光功率為1W，打開(kāi)激光器開(kāi)始測(cè)試，再1W組測(cè)量結(jié)束后更換離心管并調(diào)整激光功率為2W，同理3W組的測(cè)試也是如此。為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性需重復(fù)測(cè)試三次。圖3.3變功率結(jié)果圖

結(jié)果與討論4.1結(jié)果分析對(duì)刻蝕制備的Ti3C2T?MXene進(jìn)行透射電子顯微鏡分析，如圖2.2所示，圖像顯示了Ti3C2T?MXene超薄的形態(tài)特征，能有效避免復(fù)溫過(guò)程中的重結(jié)晶現(xiàn)象，減小熱應(yīng)力從而降低細(xì)胞損傷，這表明Ti3C2T?MXene在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景。后用掃描電子顯微鏡與能量色散X射線譜儀聯(lián)用，得到了上述元素圖（圖2.4），表明Ti3C2T?MXene中含有C、Ti、O、F四種元素且均勻分布；在掃描電子顯微鏡下還可以觀察到Ti3C2T?MXene樣品具有致密的層狀結(jié)構(gòu)REF_Ref14048\r\h。此外，原子力顯微鏡的測(cè)量結(jié)果（圖2.3）也進(jìn)一步證明了Ti3C2T?MXene的超薄納米片結(jié)構(gòu)。然后采用拉曼光譜對(duì)Ti3C2T?MXene進(jìn)行分析，測(cè)量結(jié)果如圖2.6所示，圖像中150cm-1和632cm-1處的峰值對(duì)應(yīng)了Ti2和C的面外拉伸振動(dòng)，是Ti-C鍵的特征峰。此外，Ti3C2T?MXene的傅里葉變換紅外光譜（圖2.7）顯示，在571.86cm-1處有一個(gè)典型的峰，這屬于其表面末端的-OH基團(tuán)。采用X射線光電子能譜分析Ti3C2T?MXene的化學(xué)組成和表面官能團(tuán)，結(jié)果如圖2.4所示，圖像展現(xiàn)了典型的C1s、Tⅰ2p、O1s和F1s峰，與上述元素圖分析結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了Ti3C2T?MXene的元素組成。此外，圖2.5也分別詳細(xì)展示了Ti3C2T?MXeneC1s和O1s的圖譜，圖中的峰分別對(duì)應(yīng)了C-Ti、C-C和Ti-O，同時(shí)X射線光電子能譜的結(jié)果也表明Ti3C2T?MXene中出現(xiàn)了-OH、-O、-F官能團(tuán)。最后，實(shí)驗(yàn)通過(guò)熱重分析對(duì)Ti3C2T?MXene的熱力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，如圖2.8所示，熱重分析結(jié)果顯示，在溫度上升至350℃之前，樣品的重量只下降了7.86%，這表明Ti3C2T?MXene具有出色的熱力學(xué)穩(wěn)定性，能夠在高溫或低溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境下保持良好的性能。4.2討論本課題中Ti3C2TxMXene濃度、激光器的功率均會(huì)對(duì)Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響。由Ti3C2TxMXene變濃度測(cè)試結(jié)果（圖3.2）可知，在0-1.5mg/mL范圍內(nèi)，Ti3C2TxMXene的光熱性能與濃度呈正相關(guān)，但將1.0mg/mL與1.5mg/mL組放在一起比較便可發(fā)現(xiàn)兩組的升溫曲線基本吻合；再比較1.5mg/mL、2.0mg/mL以及2.5mg/mL三組數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換效率不升反降，這表明Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換效率并不是隨著其濃度的增加而一直增高的，所以本課題在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇添加1.0mg/mLTi3C2TxMXene的冷凍保護(hù)劑進(jìn)行變功率測(cè)試。由Ti3C2TxMXene變功率測(cè)試結(jié)果（圖3.3）可知，隨著激光功率的增加Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換性能也隨著升高，但在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激光功率過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性從而使細(xì)胞存活率下降，故在激光實(shí)驗(yàn)中通常會(huì)選擇2W的激光強(qiáng)度。本課題實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也遇到過(guò)各種問(wèn)題，其一，在光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試中，樣品濃度較高時(shí)溶液的沉降速率會(huì)加快，需要在超聲波震蕩環(huán)節(jié)適當(dāng)延長(zhǎng)振蕩時(shí)間，讓樣品充分分散在冷凍保護(hù)劑中；其二。實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中需仔細(xì)確認(rèn)激光探頭是否對(duì)準(zhǔn)離心管中的樣品，避免因操作不當(dāng)而造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；其三，經(jīng)激光照射后的樣品溫度回升至幾十度，因等待其自然降溫時(shí)間較長(zhǎng)可提前準(zhǔn)備一杯水輔助其降溫或者多配幾組實(shí)驗(yàn)樣品；其四，在使用電子天平稱取Ti3C2TxMXene的環(huán)節(jié)，因每組樣品中材料的量較少且樣品組較多，所以要反復(fù)調(diào)試并做好標(biāo)記。

總結(jié)與展望總結(jié)為分析Ti3C2TxMXene這種新型二維材料于光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，本課題針對(duì)Ti3C2TxMXene的制備、表征以及光熱轉(zhuǎn)換性能展開(kāi)了系統(tǒng)研究，實(shí)驗(yàn)中借助氟化鹽刻蝕法成功制得Ti3C2TxMXene，還對(duì)其形貌特征、元素構(gòu)成、分子結(jié)構(gòu)以及熱力學(xué)穩(wěn)定性給予表征分析。依據(jù)對(duì)Ti3C2TxMXene的表征測(cè)試，本課題設(shè)計(jì)并完成光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出Ti3C2TxMXene濃度變化與激光功率變化對(duì)光熱效率的影響規(guī)律，此發(fā)現(xiàn)為其后續(xù)應(yīng)用提供關(guān)鍵理論依據(jù)與技術(shù)支持。在制備方法的選擇方面，本課題未選用傳統(tǒng)氫氟酸刻蝕法，而是采用了LiF與HCl的復(fù)合刻蝕法，該復(fù)合刻蝕法降低了實(shí)驗(yàn)過(guò)程里的毒性風(fēng)險(xiǎn)，還保證了MXene產(chǎn)物有高純度以及低缺陷性，后續(xù)實(shí)驗(yàn)借助透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡對(duì)Ti3C2TxMXene展開(kāi)觀察，證實(shí)了實(shí)驗(yàn)所制備的Ti3C2TxMXene材料擁有超薄層狀結(jié)構(gòu)，其表面光滑且分散較為均勻。掃描電子顯微鏡與X射線光電子能譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)分析說(shuō)明，材料中C、Ti、O、F元素分布均勻，表面官能團(tuán)主要是-OH、-O以及-F，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)所選取刻蝕工藝的有效性，拉曼光譜與傅立葉紅外光譜從分子層面指出材料的化學(xué)鍵特性，熱重分析結(jié)果顯示，Ti3C2TxMXene在350℃以下僅失重7.86%，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明Ti3C2TxMXene有良好的熱穩(wěn)定性，可應(yīng)用于高溫環(huán)境下的光熱領(lǐng)域。光熱實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果顯示，Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換效率同其濃度變化以及激光功率之間存在緊密聯(lián)系，在0至1.5mg/mL這個(gè)范圍以內(nèi)，光熱升溫的速率會(huì)隨著Ti3C2TxMXene濃度的升高而有較為十分突出的提升，然而當(dāng)濃度超過(guò)1.5mg/mL之后，納米片會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，使得光吸收效率降低，試劑的升溫速率反而下降。在針對(duì)激光功率進(jìn)行改變的測(cè)試過(guò)程中，1.0mg/mL的樣品于2W/cm2的激光密度條件下呈現(xiàn)出了最佳的平衡性，也就是說(shuō)Ti3C2TxMXene的升溫速率達(dá)到了8.2℃/min，并且不會(huì)引發(fā)較為十分突出的生物相容性問(wèn)題，此測(cè)試結(jié)果為T(mén)i3C2TxMXene在光熱治療、海水淡化等領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)的參數(shù)優(yōu)化給予了數(shù)據(jù)方面的支持。展望盡管本課題收獲了一些研究成果，然而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍存在下述局限性，其一為材料的穩(wěn)定性問(wèn)題，雖說(shuō)TGA結(jié)果說(shuō)明Ti3C2TxMXene在350℃以下有良好的穩(wěn)定性，但其在長(zhǎng)期光照或者潮濕環(huán)境里的氧化行為尚未展開(kāi)研究，這些因素有可能對(duì)Ti3C2TxMXene的實(shí)際使用壽命產(chǎn)生影響。其二是Ti3C2TxMXene的光熱機(jī)制尚不明確，實(shí)驗(yàn)雖已證實(shí)Ti3C2TxMXene的光熱轉(zhuǎn)換性能和其表面等離子共振效應(yīng)有關(guān)聯(lián)，不過(guò)對(duì)于其電子能帶結(jié)構(gòu)、載流子遷移路徑等微觀機(jī)制依舊欠缺理論模型支撐，其三是Ti3C2TxMXene生物相容性驗(yàn)證不充分，研究雖提到了細(xì)胞存活率與激光功率的關(guān)系，卻未開(kāi)展材料在體外細(xì)胞中的毒性測(cè)試，無(wú)法全面評(píng)估其醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力。未來(lái)可依據(jù)上述不足，在Ti3C2TxMXene的綠色工藝開(kāi)發(fā)、穩(wěn)定性提高、微觀機(jī)理建模以及智能材料響應(yīng)設(shè)計(jì)等方面展開(kāi)探索，拓展其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、能源與環(huán)境領(lǐng)域、新型交叉領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐。結(jié)語(yǔ)Ti3C2TxMXene是新一代納米二維材料，因其獨(dú)特結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)勢(shì)，在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景，本研究經(jīng)制備工藝優(yōu)化、多維度表征及性能測(cè)試，初步呈現(xiàn)其應(yīng)用潛力，不過(guò)在材料長(zhǎng)效穩(wěn)定性、作用機(jī)制及產(chǎn)業(yè)化方面還需突破，未來(lái)隨著制備技術(shù)革新、理論研究發(fā)展以及多學(xué)科交叉融合，Ti3C2TxMXene有望在能源、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為可持續(xù)發(fā)展提供新材料解決辦法。

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