北京化工大學(xué)徐斌團(tuán)隊(duì)，Advanced Materials：MXene材料的合成研究進(jìn)展
文章信息
MXene材料的合成研究進(jìn)展第一作者：魏怡通訊作者：徐斌單位：北京化工大學(xué)
研究背景
2011年8月22日，美國德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授和Michel W. Barsoum教授等人在《Advanced Materials》上首次報(bào)道了具有二維層狀結(jié)構(gòu)的過渡金屬碳化物Ti3C2Tx MXene。由于MXene具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如類金屬的導(dǎo)電性、豐富的表面官能團(tuán)、良好的柔性和親水性、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的多樣性等，在過去十年間受到了研究人員的廣泛關(guān)注。在MXene的種類方面，i-MXene、固溶體MXene等相繼問世；在刻蝕方法方面，含氟刻蝕法、電化學(xué)刻蝕法、堿刻蝕法、熔融鹽刻蝕法等相繼實(shí)現(xiàn)了MXene的制備；在應(yīng)用方面，獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)使得MXene廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、傳感、催化、電磁屏蔽、水處理等領(lǐng)域，相關(guān)論文數(shù)量近年來呈指數(shù)增長。隨著MXene材料研究的不斷深入，MXene在各領(lǐng)域的應(yīng)用潛力逐漸凸顯。為推動(dòng)MXene材料的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)MXene材料的刻蝕剝離方法、規(guī)模制備及其抗氧化和穩(wěn)定存儲(chǔ)策略的系統(tǒng)總結(jié)顯得十分重要。
文章簡介
在MXene材料問世十周年之際，北京化工大學(xué)徐斌教授團(tuán)隊(duì)于2021年8月22日在國際知名材料類綜合期刊《Advanced Materials》上發(fā)表了題為 Advances in the Synthesis of 2D MXenes 的綜述文章。該綜述詳細(xì)介紹了MXenes的各種刻蝕 (氫氟酸刻蝕法、原位形成氫氟酸刻蝕法、電化學(xué)刻蝕法、堿刻蝕法、熔融鹽刻蝕法、其他方法)和剝離 (有機(jī)物插層剝離、無機(jī)物插層剝離、機(jī)械剝離) 方法的原理、發(fā)展、產(chǎn)物性質(zhì)及影響因素，總結(jié)了國內(nèi)外在MXenes材料的規(guī)模合成和抗氧化方面的研究進(jìn)展，并展望了未來的發(fā)展方向。
圖1. MXenes的刻蝕、剝離和穩(wěn)定存儲(chǔ)策略
本文要點(diǎn)
要點(diǎn)一：MXene的刻蝕方法由于氟離子和鋁有較強(qiáng)的反應(yīng)活性，以氫氟酸為刻蝕劑可以實(shí)現(xiàn)MAX的刻蝕，得到多片層MXene材料。由于氫氟酸的毒性、腐蝕性和對(duì)環(huán)境的危害，一些溫和綠色的合成方法相繼被報(bào)道。原位形成氫氟酸的刻蝕法避免了氫氟酸的直接使用，且得到的多片層MXene可以通過溫和超聲或手搖分散為單片層。堿刻蝕法和電化學(xué)刻蝕法避免了含氟物質(zhì)的使用。然而，在堿刻蝕法中，高濃度和高溫是必要條件，而電化學(xué)刻蝕則存在產(chǎn)率低、表面基團(tuán)受限等問題。2019年出現(xiàn)了一種以路易斯酸熔鹽為刻蝕劑，在高溫下實(shí)現(xiàn)MAX相刻蝕的新方法。該方法不僅避免了-F基團(tuán)的引入，而且具有普適性，極大地?cái)U(kuò)展了MAX相的刻蝕范圍。更重要的是，該方法為研究人員進(jìn)一步調(diào)控MXenes的表面基團(tuán)提供了可能性，值得進(jìn)一步深入研究。
要點(diǎn)二：多片層MXene的剝離方法對(duì)前驅(qū)體刻蝕通常只能獲得手風(fēng)琴狀的多片層MXene，需要進(jìn)一步對(duì)其剝離才能得到二維MXene納米片。剝離的方法主要分為有機(jī)物插層剝離法、無機(jī)物插層剝離法和機(jī)械剝離法，剝離的原理都是基于減弱MXene納米片的層間作用力。每種剝離方法適用的MXene不同，如在有機(jī)物插層剝離法中，DMSO插層劑一般只能用于Ti3C2Tx MXene的剝離，而TBAOH等一般適用于通過水系刻蝕法獲得的MXene，通過熔融鹽刻蝕法得到的MXene目前只有通過正丁基鋰插層實(shí)現(xiàn)了剝離的報(bào)道。綜述總結(jié)了各種剝離方法的原理、特點(diǎn)和適用范圍。
圖2. MXenes的刻蝕、剝離策略的發(fā)展時(shí)間軸
要點(diǎn)三：MXene的規(guī)模制備實(shí)現(xiàn)規(guī)模制備是推動(dòng)MXene材料實(shí)用化的關(guān)鍵。保證MXene納米片的形貌和物化性質(zhì)的一致性則是放大制備時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)，需要考慮大尺寸反應(yīng)容器在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的溫度梯度導(dǎo)致的刻蝕不完全或局部過刻蝕的問題，同時(shí)還需要考慮使用的刻蝕劑對(duì)設(shè)備的腐蝕和對(duì)環(huán)境的影響。柔性MXene膜、MXene纖維等在柔性電子器件和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，因此它們的規(guī)模制備也是未來發(fā)展的方向。
要點(diǎn)四：MXene納米片的抗氧化策略和穩(wěn)定存儲(chǔ)方法MXenes在水氧環(huán)境中易于氧化是制約其實(shí)際應(yīng)用的主要因素之一。本文總結(jié)了MXenes氧化的機(jī)理，MXenes的氧化總是由邊緣引發(fā)，繼而擴(kuò)散至表面。因此，加入抗氧化劑保護(hù)MXenes的片層邊緣是常見的抗氧化策略。此外，改變存儲(chǔ)環(huán)境、改變前驅(qū)體性質(zhì)等也是延緩MXenes氧化速率的有效方法。
文章鏈接
Advances in the Synthesis of 2D MXeneshttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103148
通訊作者介紹
徐斌 教授。北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博導(dǎo)，兼任中國超級(jí)電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長、材料電化學(xué)過程與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。2006年博士畢業(yè)于北京理工大學(xué)，2016-2017年作為國家公派高級(jí)研修學(xué)者在美國德雷賽爾大學(xué)訪問交流。主要從事先進(jìn)化學(xué)電源與能源材料的研究與開發(fā)，包括超級(jí)電容器、鋰/鈉/鉀離子電池、鋰-硫電池電極材料與器件，電化學(xué)儲(chǔ)能炭材料和新型二維MXene材料等。作為課題負(fù)責(zé)人先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家863、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、北京市科技計(jì)劃、企業(yè)橫向課題等。在Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, ACS Energy Lett, Nano Energy等期刊發(fā)表SCI論文120余篇，引用8100余次。
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