МОДИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ MXENE ПОСРЕДСТВОМ ВВЕДЕНИЯ КРЕМНИЯ (SIO2/SIOx/SI) РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ: РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СИНТЕЗА И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ СТРАТЕГИЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ
https://doi.org/10.53360/2788-7995-2025-3(19)-70
Аннотация
MXene – это перспективный класс двумерных карбидов и нитридов переходных металлов. Благодаря уникальному сочетанию таких свойств, как высокая электропроводность, большая удельная поверхность, гидрофильность и гибкость поверхностного состава, эти материалы вызывают широкий научный интерес. Такие характеристики делают MXene привлекательным для применения в системах хранения энергии, сенсорах, электрокатализе, фильтрации и очистке окружающей среды. Однако склонность к окислению и недостаточная долговременная стабильность являются важными ограничивающими факторами при их практическом использовании.
Для преодоления этих ограничений предлагаются модификации на основе кремния – в частности, использование Si, SiO₂ и SiOx – как эффективная стратегия повышения структурной стабильности MXene. В обзоре рассматриваются методы функционализации с использованием кремнийсодержащих компонентов, включая золь-гель синтез, метод Штёбера, химическое осаждение из газовой фазы (CVD), атомно-слоёвое осаждение (ALD) и методы напыления.
Модификация с использованием кремния повышает устойчивость к окислению, термическую стабильность, площадь поверхности и совместимость с композитами. Эти улучшенные свойства усиливают эффективность кремний-модифицированных MXene в литий- и алюминий-ионных аккумуляторах, суперконденсаторах, сенсорах и катализаторах. Кроме того, их фотокаталитические и адсорбционные способности позволяют использовать такие материалы в экологически значимых технологиях. Обзор также рассматривает устойчивые и масштабируемые методы интеграции MXene в многофункциональные системы будущего.
Ключевые слова
MXene,
диоксид кремния (SiO₂),
поверхностная модификация,
хранение энергии,
очистка воды,
фотокатализ
Об авторах
М. Әліпұлы
Satbayev Univeristy
Казахстан
Казахстан
Мұхтар Әліпұлы – докторант кафедры «Материаловедение, нанотехнологии и инженерная физика»
050013, Республика Казахстан, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22
К. Асқарұлы
Satbayev Univeristy
Казахстан
Казахстан
Қыдыр Асқарұлы – доктор технических наук, Ассоциированный профессор кафедры «Общая физика»
050013, Республика Казахстан, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22
К. Тоштай
Казахский национальный университет имени Аль-Фараби
Казахстан
Казахстан
Кайнаубек Тоштай – доцент, кафедра «Физическая химия, катализ и нефтехимия»
050040, Республика Казахстан, г. Алматы, проспект Аль-Фараби, 71
Н. Н. Нұрғалиев
Шәкәрім университет
Казахстан
Казахстан
Нұржан Нұрлыбекұлы Нұрғалиев – PhD
071410, Республика Казахстан, г. Семей, ул. Глинки, 20А
С. Азат
Satbayev Univeristy
Казахстан
Казахстан
Сейтхан Азат – Профессор, заведующий Лаборатории Инженерного Профиля
050013, Республика Казахстан, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22
Список литературы
1. Anasori B. 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes) for Energy Storage / B. Anasori, M.R. Lukatskaya, Y. Gogotsi // Nature Reviews Materials. – 2017. – № 2. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.98.
2. Two‐Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3alc2 / M. Naguib et al // Advanced Materials. – 2011. – № 23. – Р. 4248-4253, https://doi.org/10.1002/adma.201102306.
3. A Review on MXene and Its’ Composites for Electromagnetic Interference (EMI) Shielding Applications / R. Verma et al // Carbon. – 2023. – № 208. – Р. 170-190. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.03.050.
4. A Review on MXene Synthesis, Stability, and Photocatalytic Applications / G. Murali et al // ACS Nano. – 2022. – № 16. – Р. 13370-13429. https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04750.
5. Two-Dimensional Transition Metal Carbides and Nitrides (MXenes) Based Biosensing and Molecular Imaging / H. Liu et al // Nanophotonics. – 2022. – № 11. – Р. 4977-4993. https://doi.org/10.1515/nanoph-2022-0550.
6. MXene Materials for Designing Advanced Separation Membranes / H.E. Karahan et al // Advanced Materials. – 2020. – № 32. https://doi.org/10.1002/adma.201906697.
7. Gogotsi Y. The Rise of MXenes. / Y. Gogotsi, B. Anasori // ACS Nano. – 2019. – № 13. – Р. 8491-8494. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06394.
8. Oxidation Stability of Colloidal Two-Dimensional Titanium Carbides (MXenes) / C.J. Zhang et al // Chemistry of Materials. – 2017. – № 29. – Р. 4848-4856. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b00745.
9. Hollow MXene Spheres and 3D Macroporous MXene Frameworks for Na‐Ion Storage / М. Zhao et al // Advanced Materials. – 2017. – № 29. https://doi.org/10.1002/adma.201702410.
10. Guidelines for Synthesis and Processing of Two-Dimensional Titanium Carbide (Ti3C2Tx MXene) / М. Alhabeb et al // In MXenes; Jenny Stanford Publishing: New York, 2023. – Р. 415-449.
11. MXene Films: Scalable Manufacturing of Free‐Standing, Strong Ti3C2Tx MXene Films with Outstanding Conductivity (Adv. Mater. 23/2020) / J. Zhang et al // Advanced Materials. – 2020. – № 32. https://doi.org/10.1002/adma.202070180.
12. Enhanced Cycling Performance of Si-MXene Nanohybrids as Anode for High Performance Lithium Ion Batteries / X. Zhu et al // Chemical Engineering Journal. – 2019. – № 378. – Р. 122212. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122212.
13. Three‐dimensional Structured MXene/SiO2 for Improving the Interfacial Properties of Composites by Self‐assembly Strategy / J. Guo et al // Polymer Composites. – 2021. – № 43. – Р. 84-93. https://doi.org/10.1002/pc.26358.
14. Burgeoning Silicon/MXene Nanocomposites for Lithium Ion Batteries: A Review / Р. Zhang et al // Advanced Functional Materials. – 2024. – № 34. https://doi.org/10.1002/adfm.202402307.
15. Three‐dimensional Structured MXene/SiO2 for Improving the Interfacial Properties of Composites by Self‐assembly Strategy / J. Guo et al // Polymer Composites. – № 43. – Р. 84-93. https://doi.org/10.1002/pc.26358.
16. Design of PDMS/SiO2@MXene Composites with «Floatable Interlayer» Structure for the Electromagnetic Shielding Behavior Improvement / Y. Duan et al // Chemical Engineering Journal. – 2023. – № 461. – Р. 141853. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141853.
17. Ultralong Stability of Ti3C2Tx‐MXene Dispersion Through Synergistic Regulation of Storage Environment and Defect Capping with Tris‐HCl Buffering / J. Tan et al // Small Methods. – 2024. https://doi.org/10.1002/smtd.202301689.
18. MXene Hydrogels: Fundamentals and Applications / Y.-Z. Zhang et al // Chemical Society Reviews. – 2020. – № 49. – Р. 7229-7251. https://doi.org/10.1039/d0cs00022a.
19. MXene Printing and Patterned Coating for Device Applications / Y. Zhang et al // Advanced Materials. – 2020. – № 32. https://doi.org/10.1002/adma.201908486.
20. Applications of 2D MXenes in Energy Conversion and Storage Systems / J. Pang et al // Chemical Society Reviews. – 2019. – № 48. – Р. 72-133. https://doi.org/10.1039/c8cs00324f.
21. Highly Electrically Conductive Three-Dimensional Ti3C2Tx MXene/Reduced Graphene Oxide Hybrid Aerogels with Excellent Electromagnetic Interference Shielding Performances / S. Zhao et al // ACS Nano. – 2018. – № 12. – Р. 11193-11202. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b05739.
22. Geng X. Application of MXene‐Based Materials for Cathode in Lithium‐Sulfur Batteries / X. Geng, L. Yang, P. Song // Chemistry – A European Journal. – 2024. – № 30. https://doi.org/10.1002/chem.202303451.
23. Mozafari M. Surface Functionalization of MXenes // M. Mozafari, M. Soroush // Materials Advances. – 2021. – № 2. – Р. 7277-7307. https://doi.org/10.1039/d1ma00625h.
24. A Review of Porous Carbons Produced by Template Methods for Supercapacitor Applications / W. Zhang et al // New Carbon Materials. – 2021. – № 36. – Р. 69-81. https://doi.org/10.1016/s1872-5805(21)60005-7.
25. Jiang T. Enhanced Performance of Silicon Negative Electrodes Composited with Titanium Carbide Based MXenes for Lithium-Ion Batteries / T. Jiang, H. Yang, G.Z. Chen // Nanoenergy Advances. – 2022. – № 2. – Р. 165-196. https://doi.org/10.3390/nanoenergyadv2020007.
26. Solution Reactivity Studies for Identification of Promising New ALD and Pulsed CVD Reaction Chemistries / В. Vidjayacoumar et al // ECS Transactions. – 2013. – № 50. – Р. 53-66. https://doi.org/10.1149/05013.0053ecst.
27. Stoldt C.R. Ultra-Thin Film Encapsulation Processes for Micro-Electro-Mechanical Devices and Systems / C.R. Stoldt, V.M. Bright // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2006. – № 39. – Р. R163-R170. https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/9/r01.
28. Shielding 2D MXenes against Oxidative Degradation: Recent Advances, Factors and Preventive Measures / S. Kumar et al // Journal of Materials Chemistry C. – 2024. – № 12. – Р. 8243-8281. https://doi.org/10.1039/d4tc00884g.
29. MXene-Coated Ion-Selective Electrode Sensors for Highly Stable and Selective Lithium Dynamics Monitoring / Y. Huang et al // Environmental Science & Technology. – 2023. – № 58. – Р. 1359-1368. https://doi.org/10.1021/acs.est.3c06235.
30. Sustainable MXene Synthesis via Molten Salt Method and Nano-Silicon Coating for Enhanced Lithium-Ion Battery Performance / H. Kim et al // Molecules. – 2025. – № 30. – Р. 812. https://doi.org/10.3390/molecules30040812.
31. A Flexible Si@C Electrode with Excellent Stability Employing an MXene as a Multifunctional Binder for Lithium‐Ion Batteries / Р. Zhang et al // ChemSusChem. – 2019. – № 13. – Р. 1621-1628. https://doi.org/10.1002/cssc.201901497.
32. Recent Progress in Si/Ti3C2Tx MXene Anode Materials for Lithium-Ion Batteries / Х. Jiang et al // iScience. – 2024. – № 27. – Р. 111217. https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.111217.
33. Performance and Application of Si/Ti3C2TX (MXene) Composites in Lithium Ion Battery / T. Jiang et al // Journal of Physics: Energy. – 2023. – № 5. – Р. 014020. https://doi.org/10.1088/2515-7655/acb6b4.
34. Rice Husk Waste into Various Template-Engineered Mesoporous Silica Materials for Different Applications: A Comprehensive Review on Recent Developments / A.G. Gebretatios et al // Chemosphere. – 2023. – № 310. – Р. 136843. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.136843.
35. Sustainable Harnessing of SiO2 Nanoparticles from Rice Husks: A Review of the Best Synthesis and Applications / А. Rodriguez-Otero et al // Processes. – 2023. – № 11. – Р. 3373. https://doi.org/10.3390/pr11123373.
36. Mesoporous Silica with an Alveolar Construction Obtained by Eco-Friendly Treatment of Rice Husks / М. Popova et al // Molecules. – 2024. – № 29. – Р. 3540. https://doi.org/10.3390/molecules29153540.
37. Covalent Stabilization and Functionalization of MXene via Silylation Reactions with Improved Surface Properties / J. Ji et al // FlatChem. – 2019. – № 17. – Р. 100128. https://doi.org/10.1016/j.flatc.2019.100128.
38. Surface Modification of a MXene by an Aminosilane Coupling Agent / Н. Riazi et al // Advanced Materials Interfaces. – 2020. – № 7. https://doi.org/10.1002/admi.201902008.
39. Mozafari, M.; Soroush, M. Surface Functionalization of MXenes / M. Mozafari, M. Soroush // Materials Advances. – 2021. – № 2. – Р. 7277-7307. https://doi.org/10.1039/d1ma00625h.
40. Interfacial Charge Transfer and Interaction in the MXene/TiO2 Heterostructures Available / L. Xu et al; online: https://arxiv.org/abs/2107.09180.
41. Recent Developments in Photocatalytic Water Treatment Technology with MXene Material: A Review / N. Xu et al // Chemical Engineering Journal Advances. – 2022. – № 12. – Р. 100418. https://doi.org/10.1016/j.ceja.2022.100418.
42. MXene-Based Composite Photocatalysts for Efficient Degradation of Antibiotics in Wastewater / M. Akbari et al // Scientific Reports. – 2024. – № 14. https://doi.org/10.1038/s41598-024-83333-3.
43. MXene-Based Flexible Sensors: A Review / S. Hajian et al // Frontiers in Sensors. – 2022. – № 3. https://doi.org/10.3389/fsens.2022.1006749.
44. Recent Progress in MXene-Based Materials for Water Treatment Application: A Review / L. Song et al // Journal of Water Process Engineering. – 2025. – № 72. – Р. 107640. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2025.107640.
45. Engineering the next Generation of MXenes: Challenges and Strategies for Scalable Production and Enhanced Performance / W. Bao et al // Nanoscale. – 2025. – № 17. – Р. 6204-6265. https://doi.org/10.1039/d4nr04560b.
46. Synthesis, Toxicity Assessment, Environmental and Biomedical Applications of MXenes: A Review / I.A. Vasyukova et al // Nanomaterials. – 2022. – № 12. – Р. 1797. https://doi.org/10.3390/nano12111797.
47. MXenes for Sustainable Energy: A Comprehensive Review on Conservation and Storage Applications / М. Jussambayev et al // Carbon Trends. – 2025. – № 19. – Р. 100471. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2025.100471.
Рецензия
Для цитирования:
Әліпұлы М., Асқарұлы К., Тоштай К., Нұрғалиев Н.Н., Азат С. МОДИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ MXENE ПОСРЕДСТВОМ ВВЕДЕНИЯ КРЕМНИЯ (SIO2/SIOx/SI) РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ: РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СИНТЕЗА И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ СТРАТЕГИЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ. Вестник Университета Шакарима. Серия технические науки. 2025;(3(19)):634-646. https://doi.org/10.53360/2788-7995-2025-3(19)-70
For citation:
Alipuly M., Askaruly K., Toshtay K., Nurgaliyev N.N., Azat S. MODIFICATION OF MXENE-BASED MATERIALS THROUGH THE INTRODUCTION OF SILICON (SIO2/SIOx/SI) BY VARIOUS METHODS: DEVELOPMENT OF SYNTHESIS TECHNIQUES AND ALTERNATIVE SURFACE MODIFICATION STRATEGIES. Bulletin of Shakarim University. Technical Sciences. 2025;(3(19)):634-646. (In Kazakh) https://doi.org/10.53360/2788-7995-2025-3(19)-70
Просмотров:
9
Послать статью по эл. почте 
