【摘 要】
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MXene是一种典型的二维材料,其核心的特性有纳米级的层间距和丰富的表面基团,纳米级的层间距可以对离子/分子进行筛分或者传输,表面基团可以与其他物质进行功能化获得更优秀的物理化学性质。基于这些特性,本研究通过真空抽滤法在聚醚砜（PES）基底上沉积了微米级厚度的MXene纳米层状膜,采用电解质/膜/水系统和四电极体系对MXene膜进行电化学交流阻抗谱测试。结果发现,交流电场力作用下,MXene膜在离
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MXene是一种典型的二维材料,其核心的特性有纳米级的层间距和丰富的表面基团,纳米级的层间距可以对离子/分子进行筛分或者传输,表面基团可以与其他物质进行功能化获得更优秀的物理化学性质。基于这些特性,本研究通过真空抽滤法在聚醚砜（PES）基底上沉积了微米级厚度的MXene纳米层状膜,采用电解质/膜/水系统和四电极体系对MXene膜进行电化学交流阻抗谱测试。结果发现,交流电场力作用下,MXene膜在离子浓差扩散过程中,具有电感效应。MXene膜的电感效应有望使其作为微型电子器件应用于生物传感领域中。本论文通过实验设计对影响电感效应的因素进行了研究,结果发现,电感效应是跟离子在膜内的分布有关的。电解质/膜/水系统下,离子会从电解质溶液中进入膜内再向水中扩散,扩散初期离子在膜内分布最不均匀,电感效应最强,当浸泡时间增加、电解液浓度增加时电感效应会逐渐变弱,直至系统两侧浓度达到平衡后电感效应消失。另外,不同的电解质溶液、改性后具有不同的层间距的MXene膜都会导致电感效应的不同。利用不同表征手段对MXene膜的表面、截面、层间距以及表面基团等进行结构表征,通过机器学习方法分析各因素影响电感效应的权重。实验部分如下:（1）采用KCl、K3[Fe[CN]6]两种不同的电解质溶液进行测试,电化学交流阻抗谱显示在相同条件下K3[Fe[CN]6]作为电解质溶液时测得电感效应要比KCl溶液大。通过机器学习方法进行权重分析发现,电解质溶液浓度比浸泡时间、电解质类型对MXene膜的电感效应影响更大。电解质溶液浓度增大时会削弱Donnan效应的影响,使离子更易扩散到MXene膜层间并分布得更均匀,从而令电感效应减弱。（2）利用β-环糊精、水合肼对MXene进行改性使β-环糊精交联在MXene层间,并通过结构表征证明。对交联前后的两种膜进行对比,XRD表明交联后MXene膜的层间距变大,电化学交流阻抗谱显示交联后的MXene膜比原始MXene膜电感效应整体更小,机器学习方法显示β-环糊精的掺入对电感效应的影响权重比电解质溶液浓度和浸泡时间的影响更大。这是因为当MXene膜的层间距增大后,离子更容易渗透进膜内并分布得更均匀,从而令电感效应整体变小。（3）将制备好的MXene层状膜分别在130℃、200℃下进行加热,标记为MXene-130膜、MXene-200膜,表征结果显示加热后MXene膜层间发生了自交联反应（-OH+-OH=-O+H2O）,层间距变小。利用MXene-200膜与原始MXene膜进行对比,电化学交流阻抗谱显示MXene-200膜的电感效应整体更大,机器学习方法同样表明层间距比电解质浓度和浸泡时间对电感的影响权重更大。自交联后膜的层间距减小,离子更难渗透到膜内并在膜内分布得更不均匀,导致电感效应更强。以上结果表明,通过改变电解质溶液的类型、浓度及MXene的层间距可以对MXene膜的电感效应进行有效调控。
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