Two-dimensional carbides and nitrides of transition metals, known as MXenes, are a fast-growing family of materials that have attracted attention as energy storage materials. MXenes are mainly prepared from Al-containing MAX phases (where A = Al) by Al dissolution in F-containing solution; most other MAX phases have not been explored. Here a redox-controlled A-site etching of MAX phases in Lewis acidic melts is proposed and validated by the synthesis of various MXenes from unconventional MAX-phase precursors with A elements Si, Zn and Ga. A negative electrode of Ti3C2 MXene material obtained through this molten salt synthesis method delivers a Li+ storage capacity of up to 738 C g−1 (205 mAh g−1) with high charge–discharge rate and a pseudocapacitive-like electrochemical signature in 1 M LiPF6 carbonate-based electrolyte. MXenes prepared via this molten salt synthesis route may prove suitable for use as high-rate negative-electrode materials for electrochemical energy storage applications. Two-dimensional transition metal carbides and nitrides, known as MXenes, are currently considered as energy storage materials. A generic Lewis acidic etching route for preparing high-rate negative-electrode MXenes with enhanced electrochemical performance in non-aqueous electrolyte is now proposed.

Nanolaminated materials are important because of their exceptional properties and wide range of applications. Here, we demonstrate a general approach to synthesize a series of Zn-based MAX phases and Cl-terminated MXenes originating from the replacement reaction between the MAX phase and the late transition metal halides. The approach is a top-down route that enables the late transitional element atom (Zn in the present case) to occupy the A site in the pre-existing MAX phase structure. Using this replacement reaction between Zn element from molten ZnCl2 and Al element in MAX phase precursors (Ti3AlC2, Ti2AlC, Ti2AlN, and V2AlC), novel MAX phases Ti3ZnC2, Ti2ZnC, Ti2ZnN, and V2ZnC were synthesized. When employing excess ZnCl2, Cl terminated MXenes (such as Ti3C2Cl2 and Ti2CCl2) were derived by a subsequent exfoliation of Ti3ZnC2 and Ti2ZnC due to the strong Lewis acidity of molten ZnCl2. These results indicate that A-site element replacement in traditional MAX phases by late transition metal halides opens the door to explore MAX phases that are not thermodynamically stable at high temperature and would be difficult to synthesize through the commonly employed powder metallurgy approach. In addition, this is the first time that exclusively Cl-terminated MXenes were obtained, and the etching effect of Lewis acid in molten salts provides a green and viable route to prepare MXenes through an HF-free chemical approach.

To assess the toxicity of copper nanoparticles (23.5 nm) in vivo, LD50, morphological changes, pathological examinations and blood biochemical indexes of experimental mice are studied comparatively with micro-copper particles (17 μm) and cupric ions (CuCl2·2H2O). The LD50 for the nano-, micro-copper particles and cupric ions exposed to mice via oral gavage are 413, >5000 and 110 mg/kg body weight, respectively. The toxicity classes of nano and ionic copper particles both are class 3 (moderately toxic), and micro-copper is class 5 (practically non-toxic) of Hodge and Sterner Scale. Kidney, liver and spleen are found to be target organs of nano-copper particles. Nanoparticles induce gravely toxicological effects and heavy injuries on kidney, liver and spleen of experimental mice, but micro-copper particles do not, on mass basis. Results indicate a gender dependent feature of nanotoxicity. Several factors such as huge specific surface area, ultrahigh reactivity, exceeding consumption of H+, etc. that likely cause the grave nanotoxicity observed in vivo are discussed.

With the potential wide uses of nanoparticles such as carbon nanotubes in biomedical applications, and the growing concerns of nanotoxicity of these engineered nanoparticles, the importance of nanoparticle-protein interactions cannot be stressed enough. In this study, we use both experimental and theoretical approaches, including atomic force microscope images, fluorescence spectroscopy, CD, SDS-PAGE, and molecular dynamics simulations, to investigate the interactions of single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) with human serum proteins, and find a competitive binding of these proteins with different adsorption capacity and packing modes. The π-π stacking interactions between SWCNTs and aromatic residues (Trp, Phe, Tyr) are found to play a critical role in determining their adsorption capacity. Additional cellular cytotoxicity assays, with human acute monocytic leukemia cell line and human umbilical vein endothelial cells, reveal that the competitive bindings of blood proteins on the SWCNT surface can greatly alter their cellular interaction pathways and result in much reduced cytotoxicity for these protein-coated SWCNTs, according to their respective adsorption capacity. These findings have shed light toward the design of safe carbon nanotube nanomaterials by comprehensive preconsideration of their interactions with human serum proteins.

Photocross-linkable Au nanoparticles are prepared through surface decoration of photolabile diazirine moieties. Both in vitro and in vivo studies indicate that the light-triggered cross-linking can dramatically shift the surface plasmon resonance of Au nanoparticles to near-infrared regions, which in consequence remarkably enhances their efficacy for photothermal therapy and photoacoustic imaging of tumors in vivo.

Noble metal-based nanomaterials have shown promise as potential enzyme mimetics, but the facet effect and underlying molecular mechanisms are largely unknown. Herein, with a combined experimental and theoretical approach, we unveil that palladium (Pd) nanocrystals exhibit facet-dependent oxidase and peroxidase-like activities that endow them with excellent antibacterial properties via generation of reactive oxygen species. The antibacterial efficiency of Pd nanocrystals against Gram-positive bacteria is consistent with the extent of their enzyme-like activity, that is {100}-faceted Pd cubes with higher activities kill bacteria more effectively than {111}-faceted Pd octahedrons. Surprisingly, a reverse trend of antibacterial activity is observed against Gram-negative bacteria, with Pd octahedrons displaying stronger penetration into bacterial membranes than Pd nanocubes, thereby exerting higher antibacterial activity than the latter. Our findings provide a deeper understanding of facet-dependent enzyme-like activities and might advance the development of noble metal-based nanomaterials with both enhanced and targeted antibacterial activities.

Single-layered graphene oxide (GO) prepared by the Hummers method was used to adsorb U(VI) ions from aqueous solutions. The U(VI) sorption was studied as a function of solution pH, ionic strength, and initial concentration of U(VI) using a batch method in air. It is found that the sorption is rapid, strongly dependent on pH, attaining a plateau at pH 4.0–7.5, and independent of the ionic strength. This suggests the formation of inner-sphere surface complexes of U(VI) on GO. The maximum sorption capacity of GO for U(VI) was evaluated to be 299 mg/g at pH 4.0, ranking it among the most effective sorbents reported for U(VI) so far. The abundant oxygen-containing functional groups of GO were demonstrated to play crucial roles in the sorption. Using the distribution coefficients obtained at different temperatures, thermodynamic parameters were also calculated, showing that the sorption is endothermic and spontaneous. GO could be a promising sorbent material applied in the environmental cleanup of uranium pollution and the enrichment of uranium from large volumes of solution.

We demonstrate fabrication of a two-dimensional Hf-containing MXene, Hf3C2Tz, by selective etching of a layered parent Hf3[Al(Si)]4C6 compound. A substitutional solution of Si on Al sites effectively weakened the interfacial adhesion between Hf-C and Al(Si)-C sublayers within the unit cell of the parent compound, facilitating the subsequent selective etching. The underlying mechanism of the Si-alloying-facilitated etching process is thoroughly studied by first-principles density functional calculations. The result showed that more valence electrons of Si than Al weaken the adhesive energy of the etching interface. The MXenes were determined to be flexible and conductive. Moreover, this 2D Hf-containing MXene material showed reversible volumetric capacities of 1567 and 504 mAh cm-3 for lithium and sodium ions batteries, respectively, at a current density of 200 mAg-1 after 200 cycles. Thus, Hf3C2Tz MXenes with a 2D structure are candidate anode materials for metal-ion intercalation, especially for applications where size matters.

Nanoparticles can be administered via nasal, oral, intraocular, intratracheal (pulmonary toxicity), tail vein and other routes. Here, we focus on the time-dependent translocation and potential damage of TiO2 nanoparticles on central nervous system (CNS) through intranasal instillation. Size and structural properties are important to assess biological effects of TiO2 nanoparticles. In present study, female mice were intranasally instilled with two types of well-characterized TiO2 nanoparticles (i.e. 80 nm, rutile and 155 nm, anatase; purity > 99%) every other day. Pure water instilled mice were served as controls. The brain tissues were collected and evaluated for accumulation and distribution of TiO2, histopathology, oxidative stress, and inflammatory markers at post-instillation time points of 2, 10, 20 and 30 days. The titanium contents in the sub-brain regions including olfactory bulb, cerebral cortex, hippocampus, and cerebellum were determined by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Results indicated that the instilled TiO2 directly entered the brain through olfactory bulb in the whole exposure period, especially deposited in the hippocampus region. After exposure for 30 days, the pathological changes were observed in the hippocampus and olfactory bulb using Nissl staining and transmission electron microscope. The oxidative damage expressed as lipid peroxidation increased significantly, in particular in the exposed group of anatase TiO2 particles at 30 days postexposure. Exposure to anatase TiO2 particles also produced higher inflammation responses, in association with the significantly increased tumor necrosis factor alpha (TNF-α) and interleukin (IL-1β) levels. We conclude that subtle differences in responses to anatase TiO2 particles versus the rutile ones could be related to crystal structure. Thus, based on these results, rutile ultrafine-TiO2 particles are expected to have a little lower risk potential for producing adverse effects on central nervous system. Although understanding the mechanisms requires further investigation, the present results suggest that we should pay attention to potential risk of occupational exposure for large-scaled production of TiO2 nanoparticles.

The phytotoxicity of four rare earth oxide nanoparticles, nano-CeO2, nano-La2O3, nano-Gd2O3 and nano-Yb2O3 on seven higher plant species (radish, rape, tomato, lettuce, wheat, cabbage, and cucumber) were investigated in the present study by means of root elongation experiments. Their effects on root growth varied greatly between different nanoparticles and plant species. A suspension of 2000 mg L−1 nano-CeO2 had no effect on the root elongation of six plants, except lettuce. On the contrary, 2000 mg L−1 suspensions of nano-La2O3, nano-Gd2O3 and nano-Yb2O3 severely inhibited the root elongation of all the seven species. Inhibitory effects of nano-La2O3, nano-Gd2O3, and nano-Yb2O3 also differed in the different growth process of plants. For wheat, the inhibition mainly took place during the seed incubation process, while lettuce and rape were inhibited on both seed soaking and incubation process. The fifty percent inhibitory concentrations (IC50) for rape were about 40 mg L−1 of nano-La2O3, 20 mg L−1 of nano-Gd2O3, and 70 mg L−1 of nano-Yb2O3, respectively. In the concentration ranges used in this study, the RE3+ ion released from the nanoparticles had negligible effects on the root elongation. These results are helpful in understanding phytotoxicity of rare earth oxide nanoparticles.