综述：淀粉（衍生物）/MXene基复合材料在新兴应用中的前沿进展

　　本综述系统探讨了二维MXene与淀粉基质协同集成的前沿进展，强调其在高比表面积、优异导电性及丰富表面端基赋予的电子/热/光学/机械特性优势，以及淀粉（衍生物）的可改性、生物降解性和生物相容性特质。文章详述了复合物类型（水凝胶/气凝胶/薄膜/泡沫）、创新制备策略，并重点剖析其在传感器、电磁干扰（EMI）屏蔽、能源存储、环境修复、生物医学工程等领域的应用潜力与挑战。

　　

引言

二维MXene自2011年Ti₃C₂T_x被发现以来，以其超亲水性、本征金属性、高导电性和丰富表面化学特性成为能源、催化、生物传感等领域的明星材料。然而，MXene易氧化、团聚的问题限制了其实际应用。淀粉作为第二丰富的天然可再生聚合物，具备可降解、无毒和生物相容性优势，但其天然形式存在老化快、溶解性差等缺陷。通过物理、化学或酶法改性获得的淀粉衍生物（如环糊精CDs）与MXene复合，可形成协同增强的淀粉（衍生物）/MXene基复合材料（SMBCs），突破单一材料局限，开拓多功能应用前景。

MXene的基本背景

MXene源于MAX相（化学通式M_n+1AX_n，其中M为过渡金属，A为A族元素，X为碳或氮），通过选择性蚀刻A层制得。目前已报道约80种MAX相衍生出M₂X、M₃X₂、M₄X₃等类型MXene。其合成主要依赖氢氟酸蚀刻法，但无氟制备工艺因环保需求日益受重视。MXene的表面端基（如-O、-F、-OH）为其提供了活跃的反应位点，但也导致环境稳定性挑战。

淀粉的一般特性

淀粉由直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）构成，前者以α-1,4糖苷键线性连接葡萄糖单元，后者具高度分支结构。淀粉颗粒呈现半结晶区（支链淀粉主导）与无定形区（直链淀粉为主）交替的层状排列，粒径范围20–500 nm。天然淀粉的工业应用受限于溶解性、抗剪切性等问题，因此常通过醚化、酯化、交联等改性手段提升性能，其中环糊精（CDs）因其疏水空腔结构可包合客体分子，成为构建SMBCs的理想介质。

SMBCs的合成路径

SMBCs制备核心包括MXene合成与淀粉基质整合两步：首先通过酸蚀MAX相获得MXene纳米片，再经超声分散或机械混合嵌入淀粉溶液。淀粉的羟基与MXene表面端基形成氢键或静电作用，促进均匀分散；动态共价键（如席夫碱反应）则可增强界面稳定性。复合策略涵盖溶液浇铸、冷冻干燥、热压成型等，具体方法依目标形态（水凝胶、薄膜等）调整。

SMBCs的类型

根据结构与功能需求，SMBCs可分为四类：

1. 1.

   水凝胶：通过氢键锁水，具备刺激响应性，适用于生物传感和药物递送；

2. 2.

   气凝胶：多孔轻质结构，优势在于高比表面积，适用于吸附和催化；

3. 3.

   薄膜：致密柔性形态，用于食品包装和柔性电子；

4. 4.

   泡沫：宏观多孔架构，擅长吸声和隔热。

   每类材料均通过淀粉与MXene的相互作用调控机械强度与电化学性能。

相关应用

SMBCs的核心优势在于协同效应：淀粉抑制MXene团聚并降低成本，MXene提升复合物的导电性与功能性。具体应用包括：

• •

  传感器：MXene导电网络与淀粉生物相容性结合，开发出高灵敏度可穿戴生理监测装置；

• •

  电磁干扰（EMI）屏蔽：MXene的导电逾渗网络通过淀粉界面优化实现高效屏蔽效能；

• •

  能源存储：复合电极材料利用MXene电容特性与淀粉衍生物孔结构，提升超级电容器性能；

• •

  环境修复：SMBCs吸附重金属或有机污染物，并可通过光催化降解增强净化效率；

• •

  生物医学工程：抗菌薄膜、组织工程支架等应用依托材料生物安全性与功能可调性；

• •

  食品包装：淀粉基薄膜添加MXene后增强阻隔性和智能指示功能。

结论

SMBCs通过绿色可再生的淀粉基质与高性能MXene的复合，有效克服了MXene环境不稳定性与淀粉机械缺陷，实现“1+1>2”的协同效果。当前研究已证明其在多个领域的应用潜力，但大规模制备、长期稳定性及生物安全性仍需深入探索。

未来展望

未来研究应聚焦：

1. 1.

   合成方法创新：开发无氟、规模化MXene制备技术，降低环境风险；

2. 2.

   结构精准调控：借助模拟计算（如密度泛函理论DFT）揭示分子级相互作用机制；

3. 3.

   应用场景拓展：探索SMBCs在仿生器件、神经接口、靶向治疗等前沿领域的潜力；

4. 4.

   生命周期评估：系统分析材料从合成到降解的可持续性与经济性。