北京化工大學徐斌團隊，Advanced Materials：MXene材料的合成研究進展
文章信息
MXene材料的合成研究進展第一作者：魏怡通訊作者：徐斌單位：北京化工大學
研究背景
2011年8月22日，美國德雷塞爾大學Yury Gogotsi教授和Michel W. Barsoum教授等人在《Advanced Materials》上首次報道了具有二維層狀結構的過渡金屬碳化物Ti3C2Tx MXene。由于MXene具有獨特的物理化學性質，如類金屬的導電性、豐富的表面官能團、良好的柔性和親水性、優異的機械強度、結構的多樣性等，在過去十年間受到了研究人員的廣泛關注。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、電化學刻蝕法、堿刻蝕法、熔融鹽刻蝕法等相繼實現了MXene的制備；在應用方面，獨特的物理化學性質使得MXene廣泛應用于儲能、傳感、催化、電磁屏蔽、水處理等領域，相關論文數量近年來呈指數增長。隨著MXene材料研究的不斷深入，MXene在各領域的應用潛力逐漸凸顯。為推動MXene材料的進一步發展，對MXene材料的刻蝕剝離方法、規模制備及其抗氧化和穩定存儲策略的系統總結顯得十分重要。
文章簡介
在MXene材料問世十周年之際，北京化工大學徐斌教授團隊于2021年8月22日在國際知名材料類綜合期刊《Advanced Materials》上發表了題為 Advances in the Synthesis of 2D MXenes 的綜述文章。該綜述詳細介紹了MXenes的各種刻蝕 (氫氟酸刻蝕法、原位形成氫氟酸刻蝕法、電化學刻蝕法、堿刻蝕法、熔融鹽刻蝕法、其他方法)和剝離 (有機物插層剝離、無機物插層剝離、機械剝離) 方法的原理、發展、產物性質及影響因素，總結了國內外在MXenes材料的規模合成和抗氧化方面的研究進展，并展望了未來的發展方向。
圖1. MXenes的刻蝕、剝離和穩定存儲策略
本文要點
要點一：MXene的刻蝕方法由于氟離子和鋁有較強的反應活性，以氫氟酸為刻蝕劑可以實現MAX的刻蝕，得到多片層MXene材料。由于氫氟酸的毒性、腐蝕性和對環境的危害，一些溫和綠色的合成方法相繼被報道。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。堿刻蝕法和電化學刻蝕法避免了含氟物質的使用。然而，在堿刻蝕法中，高濃度和高溫是必要條件，而電化學刻蝕則存在產率低、表面基團受限等問題。2019年出現了一種以路易斯酸熔鹽為刻蝕劑，在高溫下實現MAX相刻蝕的新方法。該方法不僅避免了-F基團的引入，而且具有普適性，極大地擴展了MAX相的刻蝕范圍。更重要的是，該方法為研究人員進一步調控MXenes的表面基團提供了可能性，值得進一步深入研究。
要點二：多片層MXene的剝離方法對前驅體刻蝕通常只能獲得手風琴狀的多片層MXene，需要進一步對其剝離才能得到二維MXene納米片。剝離的方法主要分為有機物插層剝離法、無機物插層剝離法和機械剝離法，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現了剝離的報道。綜述總結了各種剝離方法的原理、特點和適用范圍。
圖2. MXenes的刻蝕、剝離策略的發展時間軸
要點三：MXene的規模制備實現規模制備是推動MXene材料實用化的關鍵。保證MXene納米片的形貌和物化性質的一致性則是放大制備時面臨的主要挑戰，需要考慮大尺寸反應容器在反應過程中產生的溫度梯度導致的刻蝕不完全或局部過刻蝕的問題，同時還需要考慮使用的刻蝕劑對設備的腐蝕和對環境的影響。柔性MXene膜、MXene纖維等在柔性電子器件和可穿戴設備等領域有著重要應用，因此它們的規模制備也是未來發展的方向。
要點四：MXene納米片的抗氧化策略和穩定存儲方法MXenes在水氧環境中易于氧化是制約其實際應用的主要因素之一。本文總結了MXenes氧化的機理，MXenes的氧化總是由邊緣引發，繼而擴散至表面。因此，加入抗氧化劑保護MXenes的片層邊緣是常見的抗氧化策略。此外，改變存儲環境、改變前驅體性質等也是延緩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。北京化工大學材料科學與工程學院和有機-無機復合材料國家重點實驗室教授、博導，兼任中國超級電容產業聯盟副秘書長、材料電化學過程與技術北京市重點實驗室副主任。2006年博士畢業于北京理工大學，2016-2017年作為國家公派高級研修學者在美國德雷賽爾大學訪問交流。主要從事先進化學電源與能源材料的研究與開發，包括超級電容器、鋰/鈉/鉀離子電池、鋰-硫電池電極材料與器件，電化學儲能炭材料和新型二維MXene材料等。作為課題負責人先后承擔國家自然科學基金、國家863、國家重點研發計劃子課題、北京市科技計劃、企業橫向課題等。在Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, ACS Energy Lett, Nano Energy等期刊發表SCI論文120余篇，引用8100余次。
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