碳氮化物2D材料合成有新法

 

 路易斯酸熔鹽合成MXene示意圖

日前，中國科學院寧波材料技術與工程研究所黃慶課題組與四川大學、法國土魯斯大學和瑞典林雪平大學等學者合作，發展出路易斯酸熔鹽合成MXene的通用方法。相關研究成果於近日在線發表於《自然—材料》。

碳氮化物（MXenes）是2D材料系列的最新成員之一，具有獨特的2D層狀結構，親水性表面和金屬導電性，在諸多領域尤其是電化學儲能領域顯示出獨特的優勢。已有研究表明高導電MXene具有很強的吸波能力，在5G網絡中的抗電磁幹擾有潛在的應用。

不過，目前MXenes的製備主要通過含氟離子溶液選擇性刻蝕一種被稱為MAX相的陶瓷材料的鋁原子層。可採用的含氟離子溶液包括，氫氟酸水溶液、氟化鋰和鹽酸的混合物或氟化氫銨等。在這些含氟離子溶液中製備MXenes，存在不環保、實驗操作危害性大、廢物和廢液處置難度與成本較高等諸多問題。

針對這些問題，研究人員在最新發表的研究中發現，由鈦、鋁、碳三種元素組成的MAX相在氯化物熔鹽中會發生顯著的反應，熔鹽中的銅、鐵、鈷、鎳、銀、鎘等陽離子作為路易斯酸發揮了氫氟酸的作用，從而創造性地使用路易斯酸熔鹽剝離MAX相合成出MXene。

同時，研究人員通過電化學測試還發現，路易斯酸熔融鹽剝離策略製備的MXene電極在0.2-2.2 V電壓區間的恆流充放電曲線，且在循環2400次後，容量保持率達90 %，具有較好的充放電對稱性和優異的循環穩定性，這為MXene在電化學儲能系統（電池和鋰離子電容器）的實際應用鋪平了道路。

與傳統製備方式相比，該方法具有更「廣普」的應用前景，可以推廣到含有眾多鋁、矽、鋅、鎵等元素的MAX相，這將極大擴充獲得高質量和多功能性MXene的先驅體材料即MAX相的選擇空間，為「自上而下」合成二維材料（MXene）提供全新的思路。

黃慶表示，目前的研究只從高溫熔鹽電化學基本原理揭示了MXene刻蝕機制，但對於MAX相A位單原子層氧化還原過程和MXene表面化學行為尚未明晰，未來期待更多的科研團隊通過該方法能夠在自己的實驗室方便地合成出高質量的MXene，推動其在儲能和催化等前沿研究的發展。（來源：中國科學報 甘曉 丁蘇雅）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-020-0657-0

 

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