一种全新的MXenes制备策略—路易斯酸刻蚀

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自2011年被成功制备以来，MXenes已经成为二维材料领域的新星。MXenes具有金属级别的电子电导率、大且可调的层间距、低的离子扩散势垒、丰富的表面化学性质和优异的机械强度等优点，在能量存储与转换、传感器、光电子学、电磁屏蔽和生物医学等领域表现出广阔的应用前景。然而，有两个问题严重阻碍了MXenes的进一步发展，第一个是常用的制备方法如氢氟酸刻蚀等具有极大的危险性，第二个是难以获得表面基团可控的MXenes。近年来，路易斯酸熔融盐刻蚀作为一种全新的MXenes制备策略，因其实验安全性高且能赋予MXenes可控的终端而备受关注。本综述从刻蚀机理、终端调控、原位形成金属和多层MXenes的分层四个方面详细介绍了路易斯酸刻蚀，然后对路易斯酸刻蚀路线制备的MXenes和MXenes复合材料在能量存储和转换、传感器和微波吸收等方面的应用进行了全面的总结。最后，提出了路易斯酸刻蚀方法面临的一些挑战和机遇。

Recent Advances and Perspectives of Lewis Acidic Etching Route: An Emerging Preparation Strategy for MXenes

Pengfei Huang and Wei-Qiang Han*

Nano-Micro Letters (2023)15: 68

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01039-z

本文亮点

1. 主要从刻蚀机理、终端调控、原位形成金属和多层MXenes的分层等方面介绍了路易斯酸刻蚀法。

2. 对路易斯酸刻蚀路线制备的MXenes和MXenes复合材料在能量存储和转换、传感器和微波吸收等方面的应用进行了全面的总结。

内容简介

路易斯酸熔融盐刻蚀方法自2019年被提出以来受到了研究人员广泛的关注，显示出大的应用前景。因此，及时总结研究进展是非常有必要的。浙江大学韩伟强课题组全面总结了近年来路易斯酸刻蚀策略的研究进展。首先，简要介绍了基于非路易斯酸刻蚀路线的MXenes的传统制备方法，主要包括了HF刻蚀、原位HF刻蚀、双氟盐刻蚀、电化学刻蚀、碱刻蚀、普通熔融盐刻蚀等。然后，主要从刻蚀机理、终端调控、原位形成金属和多层MXenes的分层四个方面阐述了路易斯酸刻蚀策略。随后，详细讨论了路易斯酸刻蚀工艺制备的MXenes及MXenes基复合材料在能量存储和转换、传感器和微波吸收等方面的应用。最后，对路易斯酸刻蚀方法面临的挑战和机遇提出了一些展望。本文旨在为路易斯酸刻蚀策略的未来发展提供一些帮助，使更多的研究人员充分了解这一新兴方法，从而促进其广泛应用。

图文导读

I 路易斯酸刻蚀方法的发展历史

在过去的四年里使用路易斯酸刻蚀方法制备MXenes的文章数量在不断增加，制备得到的MXenes和MXenes基复合材料的应用主要集中在能量存储和转换、传感器和微波吸收三个方面。

图1. a 路易斯酸刻蚀方法每年的发文量；b 路易斯酸刻蚀路线制备的MXenes与MXenes基复合材料在不同领域的应用占比；c路易斯酸刻蚀方法的重大发展时间表。

II 路易斯酸刻蚀路线制备MXenes的机理

路易斯酸刻蚀法制备MXenes的机理基于高温下路易斯酸熔融盐中的金属离子与MAX前驱体中A位原子的置换反应，反应难度主要取决于两者的氧化还原电位值，而与MAX前驱体中M和X无关。

图2. a ZnCl₂路易斯酸刻蚀制备Ti₃C₂Cl₂ MXene的示意图；b Ti₃AlC₂和Ti₃ZnC₂ MAX的XRD图；c Ti₃ZnC₂ MAX的HAADF-STEM图像及相应的能谱图；d多层Ti₃C₂Cl₂ MXene的SEM图像；e Ti₃C₂Cl₂MXene和Ti₃C₂Cl₂/Zn复合材料的XRD图；f Ti₃C₂Cl₂MXene的Cl 2p XPS谱图；g ZnCl₂路易斯酸刻蚀Ti₃AlC₂ MAX的EDS能谱分析图；h CuCl₂刻蚀制备Ti₃C₂Tₓ MXene的示意图；i A位元素的氧化还原电位、路易斯酸熔融盐的氧化还原电位和吉布斯自由能之间的关系示意图；j空气气氛下一锅法合成Ti₃C₂Tₓ MXene的示意图；k NaCl/ZnCl₂混合物的相图。

III 路易斯酸刻蚀路线制备的MXenes和MXenes基材料在锌离子电池和锂硫电池中的应用

图3. a Zn/卤化Ti₃C₂ MXene电池工作机理示意图；b Ti₃C₂I₂正极在200 cm⁻¹附近的原位拉曼光谱；c Ti₃C₂I₂正极在ZnCl₂+KCl电解液和ZnSO₄电解液中的CV曲线；d SA-Zn-MXene的HAADF-STEM图像；e吸附在SA-Zn-MXene和MXene上的Li₂S₄多硫化物的差分电荷密度图；f S、S@MXene、S@SA-Zn-MXene电极的倍率性能图；g N-MX-CoS₂复合材料的制备过程示意图；h MX-Co、MX-CoS₂、N-MX-CoS₂的吸附实验图；i使用各种材料改性隔膜的锂硫电池在0.2 C的恒流充放电曲线；j使用各种材料改性隔膜的锂硫电池在1 C的长期循环性能图。