MXENE ЖӘНЕ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗАНЫҢ ҚҰРЫЛЫМДЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ ЖӘНЕ ҚОЛДАНУ ӘЛЕУЕТІ

Қазіргі заманда ғылым мен техника қарқынды дамып, қоршаған орта мен табиғи ресурстарды сақтау мәселесі өзекті бола түсуде. Бұл тұрғыда экологиялық таза, жаңартылатын және жоғары тиімділігі бар материалдарға сұраныс артып келеді. MXene және наноцеллюлоза – соңғы онжылдықта үлкен ғылыми қызығушылық тудырған екі перспективті наноматериал. Бұл материалдардың құрылымдық ерекшеліктері, химиялық және физикалық қасиеттері, сондай-ақ көпфункциялы қолдану мүмкіндіктері оларды әртүрлі салаларда тиімді пайдалануға жол ашады.
MXene – MAX-фазалардың селективті травмалау нәтижесінде алынатын екіөлшемді материал. Оның жоғары өткізгіштігі, гидрофильділігі, термиялық және химиялық тұрақтылығы, сондай-ақ модификацияға икемділігі арқасында ол су тазарту, энергия сақтау, электроника, сенсорлар мен биомедицина салаларында кеңінен зерттеліп келеді. Наноцеллюлоза – өсімдік тектес целлюлозадан алынатын экологиялық таза және биологиялық ыдырайтын материал. Ол жоғары механикалық беріктігі, беттік ауданы және химиялық тұрақтылығы арқылы медицина, тағам өнеркәсібі, орау технологиясы және нанокомпозиттер өндірісінде үлкен әлеуетке ие.
Бұл мақалада екі материалдың алыну әдістері (мысалы, MXene үшін HF немесе LiF/HCl арқылы күйдірмелеу, ал наноцеллюлоза үшін қышқылдық гидролиз, механикалық және ферментативті өңдеу), морфологиялық және құрылымдық сипаттамалары жан-жақты талданады. Сонымен қатар, олардың жеке және біріктірілген түрде қолданылу мүмкіндіктері, әсіресе нанокомпозиттер мен мембраналық құрылымдарда қолдану жолдары қарастырылады. Зерттеу нәтижелері бұл материалдардың өзара үйлесімділігі мен жоғары функционалдығын көрсете отырып, оларды келешектегі экологиялық және техногендік мәселелерді шешуге бағытталған жасыл технологиялардың ажырамас бөлігі ретінде қолдануға мүмкіндік береді.

1. Akhter R. MXenes: A comprehensive review of synthesis, properties, and progress in supercapacitor applications / R. Akhter, S.S. Maktedar // Journal of Materiomics. – 2023. – vol. 9, № 6. – Р. 1196-1241. https://doi.org/10.1016/J.JMAT.2023.08.011.

2. Facile Fabrication of Densely Packed Ti3C2MXene/Nanocellulose Composite Films for Enhancing Electromagnetic Interference Shielding and Electro-/Photothermal Performance / Z. Zhou et al // ACS Nano. – 2021. – vol. 15, № 7. – Р. 12405-12417. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04526.

3. Gogotsi Y. MXenes: Two-Dimensional Building Blocks for Future Materials and Devices / Y. Gogotsi, Q. Huang // ACS Nano. – 2021. – vol. 15, № 4. – Р. 5775-5780. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c03161.

4. Elastic properties and tensile strength of 2D Ti3C2Tx MXene monolayers / C. Rong et al. // Nat Commun. – 2024. – vol. 15, № 1. – Р. 1566. https://doi.org/10.1038/s41467-024-45657-6.

5. High electrical conductivity and breakdown current density of individual monolayer Ti3C2T MXene flakes / A. Lipatov et al. // Matter. – 2021. – vol. 4, № 4. – Р. 1413-1427. https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.01.021.

6. Transforming Ti3C2Tx MXene’s intrinsic hydrophilicity into superhydrophobicity for efficient photothermal membrane desalination / B. Zhang et al. // Nat Commun. – 2022. – vol. 13, № 1. – Р. 3315. https://doi.org/10.1038/s41467-022-31028-6.

7. Role of Surface Terminations for Charge Storage of Ti 3 C 2 T x MXene Electrodes in Aqueous Acidic Electrolyte / L. Liu et al // Angewandte Chemie International Edition. – 2024. – vol. 63, № 14. https://doi.org/10.1002/anie.202319238.

8. Understanding the Chemical Degradation of Ti 3 C 2 T x MXene Dispersions: A Chronological Analysis / K.P. Marquez et al. // Small Science. – 2024. https://doi.org/10.1002/smsc.202400150.

9. Harja M. Recent advances in removal of Congo Red dye by adsorption using an industrial waste / M. Harja, G. Buema, D. Bucur // Sci Rep. – vol. 12, № 1. – Р. 1-18. https://doi.org/ 10.1038/s41598-022- 10093-3.

10. In Situ Synthesis of MXene with Tunable Morphology by Electrochemical Etching of MAX Phase Prepared in Molten Salt / L. Liu et al // Adv Energy Mater. – 2023. – vol. 13, № 7. https://doi.org/10.1002/aenm.202203805.

11. Advancements in MXenes and mechanochemistry: exploring new horizons and future applications / S. Iravani et al // Mater Adv. – 2024. – vol. 5, № 21. – Р. 8404-8418. https://doi.org/10.1039/D4MA00775A.

12. Direct synthesis and chemical vapor deposition of 2D carbide and nitride Mxenes / D. Wang et al. // Science. – 2023. – vol. 379, № 6638. – Р. 1242-1247. https://doi.org/ 10.1126/science.add9204.

13. Huang L. MXene‐Based Membranes for Separation Applications / L. Huang, L. Ding, H. Wang // Small Science. – 2021. – vol. 1, № 7. https://doi.org/10.1002/smsc.202100013.

14. Cellulose nanofibrils manufactured by various methods with application as paper strength additives / J. Zeng et al // Sci Rep. – 2021. – vol. 11, № 1. – Р. 1-16. https://doi.org/10.1038/s41598-021-91420-y.

15. A review of nanocellulose as a new material towards environmental sustainability / K. Dhali et al // Science of The Total Environment. – 2021. – vol. 775. – Р. 145871. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2021.145871.

16. Emerging developments regarding nanocellulose-based membrane filtration material against microbes / M.N.F. Norrrahim et al // Polymers (Basel). – 2021. – vol. 13, № 19. https://doi.org/10.3390/polym13193249.

17. Barja F. Bacterial nanocellulose production and biomedical applications / F. Barja // J Biomed Res. – 2021. – vol. 35, № 4. – Р. 310-317. https://doi.org/10.7555/JBR.35.20210036.

18. Production of nanocellulose from lignocellulosic biomass and its potential applications: A review / M. N. Khan et al // Global Nest Journal. – 2024. – vol. 26, № 4. https://doi.org/10.30955/gnj.005604.

19. Production of nanocellulose from lignocellulosic biomass and its potential applications: A review / M.N. Khan et al // Global Nest Journal. – 2024. – vol. 26, № 4. https://doi.org/10.30955/gnj.005604.

20. A comprehensive review of cellulose nanomaterials for adsorption of wastewater pollutants: focus on dye and heavy metal Cr adsorption and oil/water separation / Y. Yang et al // Collagen and Leather. – 2024. – vol. 6, № 1. – Р. 1-25. https://doi.org/10.1186/s42825-024-00179-1.

21. Recycling of TEMPO-mediated oxidation medium and its effect on nanocellulose properties / H. Xu et al // Carbohydr Polym. – 2023. – vol. 319. – Р. 121168. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2023.121168.

22. Preparation and characterization of nanocellulose obtained by TEMPO-mediated oxidation of organosolv pulp from reed stalks / V.A. Barbash et al // Appl Nanosci. – 2022. – vol. 12, № 4. – Р. 835-848. https://doi.org/10.1007/s13204-021- 01749-z.

23. Nanocrystalline cellulose isolation via acid hydrolysis from non-woody biomass: Importance of hydrolysis parameters / A.Q. Almashhadani et al // Carbohydr Polym. – 2022. – vol. 286. – Р. 119285. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2022.119285.

24. Entangled cellulose nanofibers produced from sugarcane bagasse via alkaline treatment, mild acid hydrolysis assisted with ultrasonication / M. Asem et al // Journal of King Saud University – Engineering Sciences. – 2023. – vol. 35, № 1. – Р. 24-31. https://doi.org/10.1016/j.jksues.2021.03.003.

25. Cellulose nanofibrils (CNFs) produced by different mechanical methods to improve mechanical properties of recycled paper / F. Hu et al // Carbohydr Polym. – 2021. – vol. 254. – Р. 117474. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2020.117474.

26. Preparation of cellulose nanofibers from potato residues by ultrasonication combined with highpressure homogenization / X. Liu et al // Food Chem. – 2023. – vol. 413. – Р. 135675. https://doi.org/10.1016/J.FOODCHEM.2023.135675.

27. Samsalee N. Rice husk nanocellulose: Extraction by high-pressure homogenization, chemical treatments and characterization / N. Samsalee, J. Meerasri, R. Sothornvit // Carbohydrate Polymer Technologies and Applications. – 2023. – vol. 6. – Р. 100353. https://doi.org/10.1016/J.CARPTA.2023.100353.

28. Ultrasonic cavitation: An effective cleaner and greener intensification technology in the extraction and surface modification of nanocellulose / D.Y. Hoo et al // Ultrason Sonochem. – 2022. – vol. 90. – Р. 106176. https://doi.org/10.1016/J.ULTSONCH.2022.106176.

29. Preparation and characterization of nanocellulose fiber (CNF) by biological enzymatic method,” / J. Wang et al // Journal of Thermoplastic Composite Materials. – 2024. – vol. 37, № 3. – Р. 1223-1241. https://doi.org/10.1177/08927057231180479.

30. Pradhan D. Emerging technologies for the production of nanocellulose from lignocellulosic biomass / D. Pradhan, A.K. Jaiswal, S. Jaiswal // Carbohydr Polym. – 2022. – vol. 285. – Р. 119258. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2022.119258.

31. Cellulose nanostructures obtained using enzymatic cocktails with different compositions / T.J. Bondancia et al // Int J Biol Macromol. – 2022. – vol. 207. – Р. 299-307. https://doi.org/10.1016/J.IJBIOMAC.2022.03.007.

32. Exploration of a novel and efficient source for production of bacterial nanocellulose, bioprocess optimization and characterization / N.E.-A. El-Naggar et al // Sci Rep. – 2022. – vol. 12, № 1. – Р. 18533. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22240-x.

33. Bacterial nanocellulose: Optimized synthesis and biomedical applications / Y. Zhou et al // Ind Crops Prod. – vol. 205. – Р. 117589. https://doi.org/10.1016/J.INDCROP.2023.117589.

34. Synthesis of Nanocellulose as a Sustainable Construction Material from Waste Paper Using the Alkaline Method at Low Temperature / P. Suanto et al // Civil Engineering and Architecture. – 2025. – vol. 13, № 1. – Р. 175-192. https://doi.org/10.13189/cea.2025.130110.

35. Bacha E.G. Extraction and Characterization of Nanocellulose from Eragrostis Teff Straw / E.G. Bacha, H.D. Demsash // Journal of cellulose. – 2021.

36. Nanocellulose from oil palm biomass to enhance microbial fermentation of butanol for bioenergy applications / N. Hastuti et al // Bioresources. – 2019. – vol. 14, № 3. – Р. 6936-6957. https://doi.org/10.15376/biores.14.3.6936-6957.

37. S. Głowniak and B. Szcz Recent Developments in Sonochemical Synthesis of Nanoporous Materials. – 2023.

38. Cellulose nanofibrils (CNFs) produced by different mechanical methods to improve mechanical properties of recycled paper / F. Hu et al // Carbohydr Polym. – 2021. – vol. 254. – Р. 117474. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2020.117474.

39. A comprehensive review of cellulose nanomaterials for adsorption of wastewater pollutants: focus on dye and heavy metal Cr adsorption and oil/water separation / Y. Yang et al // Collagen and Leather. – 2024. – vol. 6, № 1. – Р. 1-25. https://doi.org/10.1186/s42825-024-00179-1.