山大团队设计新型真空蒸馏法,用一步法造出无氟MXenes

山大团队设计新型真空蒸馏法,用一步法造出无氟MXenes
2023年05月28日 14:15 DeepTech深科技

来源:DeepTech深科技

自 2011 年第一个 Ti3C2Tx MXene 面世以来,已经有数十个 MXenes 陆续被造出,目前还有十多个已经通过理论预测的 MXenes 尚待开发。

据维基百科介绍,“MXene 是一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。”

除了种类丰富之外,其它二维材料相比,MXenes 在力学性、导电性、浸润性等多个方面都表现不俗,这让其已被用于多个领域。甚至,它已被用于电化学能源存储领域,包括电容器、锂离子电池、钠离子电池等。

MXenes 尤其是 Ti3C2Tx MXene,之所以能在能源领域广泛应用,主要归功于以下几个方面:

其一,在电导率方面:在目前所有使用溶液法制备的纳米材料中,Ti3C2Tx MXene 薄膜是导电率最高的材料,这让它能有效加速电化学活性位点的电子传导,从而完美地用于电磁屏蔽和无线电中。

其二,Ti3C2Tx MXene 的二维结构特性,使得多种单价或多价阳离子比如 Li+、K+和 Al3+,可以实现层间插层并能占据电化学活性位点,从而实现快速的嵌入/脱嵌以及传输,并且不会破坏其结构。

其三,在无需粘结剂的情况下,Ti3C2Tx MXene 胶体溶液可以很容易地组装成柔性三维自支撑膜。

其四,Ti3C2Tx MXene 具有丰富的表面官能团。其中,=O 官能团使得 MXene 具备氧化还原活性,故能实现更高的容量;-OH 等官能团 MXene 呈现出较好的亲水性。

可以说与石墨烯相比,MXene 完美结合了氧化石墨烯和石墨烯的优势。在力学性能上,单层 Ti3C2Tx MXene 具有高达 326±29 N m-1 的二维弹性模量,330±30 GPa 的杨氏模量,这一特性使得 Ti3C2Tx MXene 在强度上成为仅次于无缺陷态石墨烯和氮化硼的二维材料。

目前,学界已经报道了多种合成 MXenes 的方法,比如氢氟酸腐蚀法、熔盐腐蚀法、电化学化学腐蚀法等,每种方法都有着独特的优势。

除了酸性条件的刻蚀剂外,碱性溶液也可以作为刻蚀剂。铝可以在碱性条件下被溶解,且能拥有更好的电容性能。

但是,绿色、大规模地制备无氟 MXenes 仍然是一个难题。基于此,山东大学冯金奎课题组设计出一种熔盐辅助的真空蒸馏法,可被用于合成无氟的 MXenes。

图 | 冯金奎(来源:冯金奎)图 | 冯金奎(来源:冯金奎)

在使用真空蒸馏法时,整个过程是绿色、可控的,这对于促进 MXenes 在不同领域中的应用具有重要意义。此外,通过控制温度还能够调控 MXenes 的二维结构,以便满足不同领域的需求。

相比其他材料,二维 MXenes 具有独特的物理化学性能。采用真空蒸馏法制备的 MXenes 具有可控的二维结构,不仅价格低廉,而且更容易实现规模化生产。在储能、催化、吸附、传感器、电磁屏蔽等领域,均具备一定的应用潜力。

(来源:Nano Letters)(来源:Nano Letters
石墨烯
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