【材料】雷射雕刻超薄過渡金屬碳化物薄膜在能量存儲和能量收集中的應用

二維（2D）結構可以通過顯著增加表面積與體積比來顯著改變材料性質和功能。超薄2D過渡金屬碳化物（TMC）因其突出的電學、熱學和催化性質引起了人們的極大興趣。但由於缺乏成本有效的大規模製造方法，這種材料的商業化變得極其困難。臧浠凝博士及其合作者，在最近發表的論文中提出了一種具有普適性的基於雷射的超薄過渡金屬碳化物三維微納結構加工方法。與之前使用極高溫度（高達1600 ℃）和氫氟酸的超薄2D-TMC合成方法相比，該文章展現了一種室溫製造方法。作者將明膠（Jello甜點的主要成分）與過渡金屬離子（Mo5+、W6+、Co2+）結合，自組裝形成層狀金屬水凝膠。該凝膠可以旋塗在各種基材上。使用商業雷射切割機將這些塗層碳化以產生厚度僅為幾納米的超薄TMC薄片。利用雷射加工的局部高溫，同步實現選擇性的氣化造孔及過渡金屬碳化物成型（圖1）。通過對前驅體過渡金屬的選擇和調節，可以製備多種碳化物結構（碳化鉬、碳化鎢、碳化鈷等）。雷射列印的3D多孔碳化鉬壁厚可低至10-20納米。3D微納孔結構不僅提高了比表面積、滲透率，也提高了碳化物對可見光的吸收，在儲能電極、光熱吸收等應用中表現優異。雷射列印的碳化鉬具有良好的導電性和耐高低溫性能，組裝的超級電容器可提供-50~300 ℃的工作範圍，超過了所有已經發表的儲能器件工作溫度範圍記錄。3D碳化物沉積的光熱吸收薄膜在強輻照（11個模擬太陽，11 kW/m2）下，維持穩定。碳化物的耐高溫、耐腐蝕等特點，將賦予功能結構一體化碳化物3D多孔結構在極端服役中的更廣泛應用，如航空發動機中油氣分離器、超高低溫電池電容儲能器件、耐輻照電子器件電極及封裝結構等。該成果發表於Nature Communications。該論文發表後，即被編輯Jacilynn Brant在能源材料類專題（Energy Materials Focus）重點推薦（Highlight）。

圖1. 雷射雕刻的3D多孔超薄過渡金屬碳化物層，用於儲能和能量收集應用。（a）雷射雕刻的超薄過渡金屬碳化物（TMC）的示意圖。螺旋聚合物明膠介導的過渡金屬離子（金屬-水凝膠）用於自組裝層狀結構，然後通過商業雷射碳化以圖案化具有25微米解析度的「Cal」和「MIT」TMC。具有連接曲面的雷射結構多孔MoCx的SEM。（b）在聚醯亞胺（PI）帶上使用雷射印刷的MoCx作為電極的超級電容器具有-50至300 ℃的操作溫度範圍。（c）使用碳化物膜產生太陽能蒸汽以產生太陽熱能。雷射燒蝕誘導的多孔結構增強了MoCx多孔結構的光吸收，因此大大提高了能量效率。這項工作代表了具有獨特2D架構的大規模、可控材料合成的一步。雖然需要進行更多研究以精確控制這些金屬碳化物的孔徑和厚度，但雷射燒蝕技術的易用性和可擴展性為更先進的材料製造提供了有前途的解決方案，與3D列印或增材製造相競爭。Laser-sculptured ultrathin transition metal carbide layers for energy storage and energy harvesting applicationsXining Zang, Cuiying Jian, Taishan Zhu, Zheng Fan, Wanlin Wang, Minsong Wei, Buxuan Li, Mateo Follmar Diaz, Paul Ashby, Zhengmao Lu, Yao Chu, Zizhao Wang, Xinrui Ding, Yingxi Xie, Juhong Chen, J. Nathan Hohman, Mohan Sanghadasa, Jeffrey C. Grossman, Liwei Lin Nat. Commun., 2019, 10, 3112, DOI: 10.1038/s41467-019-10999-z

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