西南交通大學楊維清教授團隊Nano Energy: 一種宏量MXenes的超臨界剝離方法

kongxy 9個月前 (12-31) 2000瀏覽

  • 【導讀】

自2011年發現MXenes以來，基于MXene這種新興二維材料的制備、復合、應用和理論計算方面取得了重大進展。它優良的導電性、較高的機械強度、可控的光學性質和帶隙、可調節的結構和工作功能等優勢，使其成為儲能、催化、傳感、電磁屏蔽、和膜技術等領域的潛在候選材料。盡管關于MXene的研究已經在實驗室中取得了許多突破,但要開發其應用潛力，實現其商業生產,還需要一種高效的大規模制備MXenes的方法。

 

  • 【成果掠影】

近日，西南交通大學楊維清教授在國際知名期刊Nano Energy上發表題為“Supercritical etching method for the large-scale manufacturing of MXenes”的研究論文。我們提出了一種超臨界剝離方法，實現了4小時內大規模制備Ti3C2Tx-MXene，其產量約為1 Kg。引入的超臨界CO2分子之間會產生激烈的熱運動，促進了NH4HF2原位生成的HF更快地滲透到MAX相中，并快速去除蝕刻的副產物; 最終，更多的PC分子和NH4+在層狀MXene中擴散，這更有利于MXene的分層。基于上述研究，我們嘗試在超臨界二氧化碳輔助下批量制備MXene，最終在2~5 h內成功獲得了5種典型的MXene (Ti3C2Tx, Nb2CTx, Ti2CTx, Mo2CTx, Ti3CNTx)，產率可達公斤級別。為了驗證刻蝕得到的MXene的電化學性能，將其進一步組裝成鈉離子電池，表現出優異的電化學性能。這種超臨界刻蝕方法將會是商業化制備各種二維堆疊材料(如MXenes)的一個重大突破。

 

  • 【核心創新點】

我們首次將超臨界二氧化碳引入到MXene的剝離過程，在短短4小時內實現了超過公斤級別的MXene粉末的制備。同時，我們將超臨界二氧化碳剝離策略推廣至多種MAX相，最終在2~5 h內成功獲得了5種典型的MXene (Ti3C2Tx, Nb2CTx, Ti2CTx, Mo2CTx, Ti3CNTx)，產率可達公斤級別。

 

  • 【數據概覽】

圖1.?超臨界二氧化碳刻蝕Ti3C2Tx?MXene的超快工藝流程和Ti3C2Tx?MXene穩定分散液的制備原理圖。

在超臨界條件下（臨界溫度Tc=31.04 °C, 臨界壓力Pc=7.38 MPa），二氧化碳分子將被擠壓成液相。這些CO2分子與NH4HF2原位生成的HF之間存在更活躍的分子碰撞, 這將極大地促進HF穿梭到MAX相中。隨后，MAX相中的M-Al鍵斷裂形成鋁鹽AlF3和(NH4)3AlF6。這些生成的鋁鹽逐漸從MXene層內部被擠出，進一步加快了刻蝕進度。最后，超過公斤級別的MXene粉末在短短4小時內被制備出來。此外，在壓力釋放的瞬間，超臨界二氧化碳突然的體積膨脹削弱了MXene納米片間的范德華力，這更有利于納米片的剝離。公斤級別的Ti3C2Tx在短短4小時內被制備出來。

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圖 2.?超臨界二氧化碳剝離得到的各種MXene的形貌和公斤級別展示。

為了進一步驗證MXenes超臨界剝離法的普適性，我們將其擴展到剝離各種MAX相上。結果，在調整后的超臨界條件下，Nb2AlC、Ti2AlC、Mo2Ga2C和Ti3AlCN被成功刻蝕成相應的MXenes (Nb2CTx、Ti2CTx、Mo2CTx和Ti3CNTx)。我們所設計的MXenes超臨界剝離法為大規模生產各種MXenes材料提供了廣泛而有效的途徑。

圖 3.?超臨界二氧化碳剝離的Ti3C2Tx基鈉離子電池的電化學性能。

為了驗證經過超臨界剝離的MXene的電化學性能，我們將其作為鈉離子電池的陽極進行了電化學測試。在1000mA g-1的高電流密度下，鈉離子電池的容量約為70 mAh g-1。此外，在100多次循環中，庫侖效率穩定在100%。將電流密度降低到100 mAg-1后，容量增加到100 mAh g-1以上。

 

  • 【成果啟示】

目前被報道的MXene制備方法多種多樣，包括氫氟酸蝕刻法、熔鹽蝕刻法、電化學蝕刻法、堿法蝕刻等等。然而，大量氫氟酸的使用和較長，較繁瑣的剝離過程限制了MXene的大規模生產和進一步商業應用。這種綠色、快速、簡易的超臨界剝離方法是大規模MXenes商業化生產的一個里程碑，該方法已經實現科技成果轉化。但是，這種方法在原子和理論層面需要進行更系統的研究。值得一提的是，我們課題組在后續研究中會進一步揭示超臨界快速剝離法的動力學原理以及開發其多功能應用技術，其他超臨界流體也被應用于MXene的刻蝕，效果甚佳，盡請期待。

 

通訊作者簡介

楊維清教授簡介：西南交通大學材料科學與工程學院教授/博導，四川省第十二屆和第十三屆政協委員，四川省杰出青年，主要從事納米能源材料與功能器件的應用基礎研究。近年來，在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater，ACS Nano，Nano Lett，Adv. Funct. Mater.，等國際著名刊物上發表SCI收錄論文共計200余篇，其中影響因子IF>10論文70余篇，ESI高被引論文20篇，引用1.2萬余次, 多次入選Stanford-Elsevier全球全領域Top科學家。主持軍委科技重點項目、國家自然基金、四川省杰出青年基金項目等多項省部級項目，擔任科技部重大研發計劃項目會評專家和國家科技獎評審專家。已授權專利25項,已轉化20項，轉化經費3000余萬。所做的工作被美國知名網站美國國家自然基金委（NSF)、Newscientist等近20家媒體專題報道，受到法國路透社，中國科學網、中國儲能網、中國網、新華網、人民網、鳳凰網等多家國內外媒體關注。

 

作者簡介

（共一作者）

陳寧俊，2017年本科畢業于西南交通大學，2018年以碩博連讀博士身份入學西南交通大學，主要從事二維納米材料和儲能器件的研究。目前以第一作者在Nano?Energy,?Chin. Chem. Lett.,?Sci.?Technol. Adv. Mater.上發表4篇論文，以共一作者身份發表1篇Chem. Eng. J.，同時參與的研究工作也涉及到量子點，傳感器等領域。

段中意，2020年畢業于西南交通大學，同年以碩士身份入學西南交通大學，主要從事MXene基柔性可穿戴設備的相關研究，現于北京理工大學從事研究工作。

蔡文睿，2021年碩士畢業于四川大學，從事高分子加工、高分子功能材料研究。在Nano Energy, Chem. Eng. J, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., Polym. Adv.?Technol.上發表論文5篇。現于四川大學從事高分子加工、電化學儲能材料研究。

王勇彬，2020年以碩士身份入學西南交通大學，現在是西南交通大學2022級博士生，主要從事MXene及儲能器件的研究工作。

 

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108147

 

本文由作者供稿

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