西南交通大学杨维清教授团队Nano Energy: 一种宏量MXenes的超临界剥离方法

kongxy 1年前 (2022-12-31) 2746浏览

  • 【导读】

自2011年发现MXenes以来，基于MXene这种新兴二维材料的制备、复合、应用和理论计算方面取得了重大进展。它优良的导电性、较高的机械强度、可控的光学性质和带隙、可调节的结构和工作功能等优势，使其成为储能、催化、传感、电磁屏蔽、和膜技术等领域的潜在候选材料。尽管关于MXene的研究已经在实验室中取得了许多突破,但要开发其应用潜力，实现其商业生产,还需要一种高效的大规模制备MXenes的方法。

 

  • 【成果掠影】

近日，西南交通大学杨维清教授在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Supercritical etching method for the large-scale manufacturing of MXenes”的研究论文。我们提出了一种超临界剥离方法，实现了4小时内大规模制备Ti3C2Tx-MXene，其产量约为1 Kg。引入的超临界CO2分子之间会产生激烈的热运动，促进了NH4HF2原位生成的HF更快地渗透到MAX相中，并快速去除蚀刻的副产物; 最终，更多的PC分子和NH4+在层状MXene中扩散，这更有利于MXene的分层。基于上述研究，我们尝试在超临界二氧化碳辅助下批量制备MXene，最终在2~5 h内成功获得了5种典型的MXene (Ti3C2Tx, Nb2CTx, Ti2CTx, Mo2CTx, Ti3CNTx)，产率可达公斤级别。为了验证刻蚀得到的MXene的电化学性能，将其进一步组装成钠离子电池，表现出优异的电化学性能。这种超临界刻蚀方法将会是商业化制备各种二维堆叠材料(如MXenes)的一个重大突破。

 

  • 【核心创新点】

我们首次将超临界二氧化碳引入到MXene的剥离过程，在短短4小时内实现了超过公斤级别的MXene粉末的制备。同时，我们将超临界二氧化碳剥离策略推广至多种MAX相，最终在2~5 h内成功获得了5种典型的MXene (Ti3C2Tx, Nb2CTx, Ti2CTx, Mo2CTx, Ti3CNTx)，产率可达公斤级别。

 

  • 【数据概览】

图1. 超临界二氧化碳刻蚀Ti3C2Tx MXene的超快工艺流程和Ti3C2Tx MXene稳定分散液的制备原理图。

在超临界条件下（临界温度Tc=31.04 °C, 临界压力Pc=7.38 MPa），二氧化碳分子将被挤压成液相。这些CO2分子与NH4HF2原位生成的HF之间存在更活跃的分子碰撞, 这将极大地促进HF穿梭到MAX相中。随后，MAX相中的M-Al键断裂形成铝盐AlF3和(NH4)3AlF6。这些生成的铝盐逐渐从MXene层内部被挤出，进一步加快了刻蚀进度。最后，超过公斤级别的MXene粉末在短短4小时内被制备出来。此外，在压力释放的瞬间，超临界二氧化碳突然的体积膨胀削弱了MXene纳米片间的范德华力，这更有利于纳米片的剥离。公斤级别的Ti3C2Tx在短短4小时内被制备出来。

 

图 2. 超临界二氧化碳剥离得到的各种MXene的形貌和公斤级别展示。

为了进一步验证MXenes超临界剥离法的普适性，我们将其扩展到剥离各种MAX相上。结果，在调整后的超临界条件下，Nb2AlC、Ti2AlC、Mo2Ga2C和Ti3AlCN被成功刻蚀成相应的MXenes (Nb2CTx、Ti2CTx、Mo2CTx和Ti3CNTx)。我们所设计的MXenes超临界剥离法为大规模生产各种MXenes材料提供了广泛而有效的途径。

图 3. 超临界二氧化碳剥离的Ti3C2Tx基钠离子电池的电化学性能。

为了验证经过超临界剥离的MXene的电化学性能，我们将其作为钠离子电池的阳极进行了电化学测试。在1000mA g-1的高电流密度下，钠离子电池的容量约为70 mAh g-1。此外，在100多次循环中，库仑效率稳定在100%。将电流密度降低到100 mAg-1后，容量增加到100 mAh g-1以上。

 

  • 【成果启示】

目前被报道的MXene制备方法多种多样，包括氢氟酸蚀刻法、熔盐蚀刻法、电化学蚀刻法、碱法蚀刻等等。然而，大量氢氟酸的使用和较长，较繁琐的剥离过程限制了MXene的大规模生产和进一步商业应用。这种绿色、快速、简易的超临界剥离方法是大规模MXenes商业化生产的一个里程碑，该方法已经实现科技成果转化。但是，这种方法在原子和理论层面需要进行更系统的研究。值得一提的是，我们课题组在后续研究中会进一步揭示超临界快速剥离法的动力学原理以及开发其多功能应用技术，其他超临界流体也被应用于MXene的刻蚀，效果甚佳，尽请期待。

 

通讯作者简介

杨维清教授简介：西南交通大学材料科学与工程学院教授/博导，四川省第十二届和第十三届政协委员，四川省杰出青年，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater，ACS Nano，Nano Lett，Adv. Funct. Mater.，等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计200余篇，其中影响因子IF>10论文70余篇，ESI高被引论文20篇，引用1.2万余次, 多次入选Stanford-Elsevier全球全领域Top科学家。主持军委科技重点项目、国家自然基金、四川省杰出青年基金项目等多项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。已授权专利25项,已转化20项，转化经费3000余万。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。

 

作者简介

（共一作者）

陈宁俊，2017年本科毕业于西南交通大学，2018年以硕博连读博士身份入学西南交通大学，主要从事二维纳米材料和储能器件的研究。目前以第一作者在Nano Energy, Chin. Chem. Lett., Sci. Technol. Adv. Mater.上发表4篇论文，以共一作者身份发表1篇Chem. Eng. J.，同时参与的研究工作也涉及到量子点，传感器等领域。

段中意，2020年毕业于西南交通大学，同年以硕士身份入学西南交通大学，主要从事MXene基柔性可穿戴设备的相关研究，现于北京理工大学从事研究工作。

蔡文睿，2021年硕士毕业于四川大学，从事高分子加工、高分子功能材料研究。在Nano Energy, Chem. Eng. J, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., Polym. Adv. Technol.上发表论文5篇。现于四川大学从事高分子加工、电化学储能材料研究。

王勇彬，2020年以硕士身份入学西南交通大学，现在是西南交通大学2022级博士生，主要从事MXene及储能器件的研究工作。

 

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108147

 

本文由作者供稿

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