MXenes是一種二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物，是由美國德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授和Michel W.Barsoum教授等人在2011年合作發現的一種新型二維結構材料。通過在濃氫氟酸（HF）溶液中刻蝕MAX相Ti3AlC2，合成了第一種MXene Ti3C2TZ。從那時起，人們就報導了其它幾種合成MXenes的方法，如電化學刻蝕、高溫鹼處理、熔鹽合成等。然而，這些蝕刻方法大多使用水作為主要溶劑，限制了MXenes在水敏感的應用中的直接使用。
近日，美國德雷塞爾大學Michel W. Barsoum教授展示了一種不使用水作為溶劑，而是使用含有氟化氫銨（NH4HF2）的有機極性溶劑對Ti3AlC2進行刻蝕和分層。進一步的研究表明，使用這種蝕刻方法，可以獲得富含氟的Ti3C2TZ薄片，還證明了由刻蝕出的Ti3C2TZ製備的電極作為鈉離子電池負極在含碳酸丙烯酯的電解液中表現出的容量是在水作為溶劑刻蝕的兩倍。相關論文以題為「2D Ti3C2Tz MXeneSynthesized by Water-free Etching of Ti3AlC2 in PolarOrganic Solvents」發表在Chem上。
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https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.01.019
到目前為止，已經發現了近30種新的MXenes，並且越來越多的MXenes正在被發現。由於其化學多樣性、親水性、二維形貌和金屬導電性，MXenes在儲能、析氫反應催化劑，氣體傳感、海水淡化、聚合物複合材料的強化和電磁幹擾（EMI）屏蔽等方面已經展現出極大的應用前景。其中，MXenes有一個通用表達方式Mn+1XnTZ，是通過從基體MAX（Mn+1AXn）相刻蝕A原子層得到的，其中M代表過渡金屬，A為13或14元素，X代表C、N或B。MXenes主要通過HF酸或鹽酸和氟化物的混合溶液將MAX相中結合較弱的A位元素(如Al 原子)抽出而得到。
迄今為止，已知的大多數接近環境溫度合成方法都使用水作為主要溶劑，會引發一些列問題，比如某些聚合反應由於水的存在而受到阻礙，使MXenes增強原位聚合納米複合材料的合成變得困難，而且由於水的存在，在MXenes薄片上合成特定的量子點也是不可能的。更加重要的是，當使用MXene用作鈉離子電池負極時，在有機電解液中即使是微量的水也會對電池的性能產生負面的影響，電池組裝前必須對MXene進行退火處理。
在本文的研究中，作者證明了使用含有NH4HF2的有機溶劑能夠對Ti3AlC2進行刻蝕和分層（圖1），整個過程中沒有水的出現。基於製備的材料，作者採用XRD、SEM和TEM等表徵手段，確定了刻蝕前後的層間距變化，同時由XRD數據計算的結果與TEM測試結構相吻合，其中在有機溶劑中刻蝕過程中，層間空間很可能被與有機溶劑分子相關的NH4+陽離子配合物所佔據。
圖1.蝕刻和洗滌步驟的原理圖
圖2.在有機溶劑合成Ti3C2TZ的XRD圖譜
圖3. Ti3C2TZ樣品典型的SEM圖像和TEM圖像
為了證明在有機溶劑中刻蝕可以提高MXene在某些應用中的性能，作者測試了製備Ti3C2TZ作為Na離子電池的負極的電化學性能，在含有碳酸丙烯酯（PC）電解液中展現的容量比以水作為溶劑刻蝕的MXene多一倍。
圖4.Ti3C2TZ作為鈉離子電池負極材料的電化學性能
總之，作者證明了在一些含有NH4HF2極性有機溶劑的中蝕刻Ti3AlC2是可行的，該方法是基於NH4HF2在極性溶劑中解離為NH4F和HF。同時，這種刻蝕方法的整個過程允許在手套箱中進行，與以前使用含水的溶劑刻蝕不同，並且最終得到的是一種高度氟化的MXene，具有顯著不同的光學、電子和催化性能。如果使用低沸點溶劑，如乙腈蝕刻，可以實現溶劑的回收，淨化再利用，這為工業化規模合成MXene提供了重要的參考。（文：Caspar）
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