学术前沿
北京化工大学徐斌团队，Advanced Materials：MXene材料的合成研究进展
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详细介绍
文章信息
MXene材料的合成研究进展第一作者：魏怡通讯作者：徐斌单位：北京化工大学
研究背景
2011年8月22日，美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授和Michel W. Barsoum教授等人在《Advanced Materials》上首次报道了具有二维层状结构的过渡金属碳化物Ti3C2Tx MXene。由于MXene具有独特的物理化学性质，如类金属的导电性、丰富的表面官能团、良好的柔性和亲水性、优异的机械强度、结构的多样性等，在过去十年间受到了研究人员的广泛关注。在MXene的种类方面，i-MXene、固溶体MXene等相继问世；在刻蚀方法方面，含氟刻蚀法、电化学刻蚀法、碱刻蚀法、熔融盐刻蚀法等相继实现了MXene的制备；在应用方面，独特的物理化学性质使得MXene广泛应用于储能、传感、催化、电磁屏蔽、水处理等领域，相关论文数量近年来呈指数增长。随着MXene材料研究的不断深入，MXene在各领域的应用潜力逐渐凸显。为推动MXene材料的进一步发展，对MXene材料的刻蚀剥离方法、规模制备及其抗氧化和稳定存储策略的系统总结显得十分重要。
文章简介
在MXene材料问世十周年之际，北京化工大学徐斌教授团队于2021年8月22日在国际知名材料类综合期刊《Advanced Materials》上发表了题为 Advances in the Synthesis of 2D MXenes 的综述文章。该综述详细介绍了MXenes的各种刻蚀 (氢氟酸刻蚀法、原位形成氢氟酸刻蚀法、电化学刻蚀法、碱刻蚀法、熔融盐刻蚀法、其他方法)和剥离 (有机物插层剥离、无机物插层剥离、机械剥离) 方法的原理、发展、产物性质及影响因素，总结了国内外在MXenes材料的规模合成和抗氧化方面的研究进展，并展望了未来的发展方向。
图1. MXenes的刻蚀、剥离和稳定存储策略
本文要点
要点一：MXene的刻蚀方法由于氟离子和铝有较强的反应活性，以氢氟酸为刻蚀剂可以实现MAX的刻蚀，得到多片层MXene材料。由于氢氟酸的毒性、腐蚀性和对环境的危害，一些温和绿色的合成方法相继被报道。原位形成氢氟酸的刻蚀法避免了氢氟酸的直接使用，且得到的多片层MXene可以通过温和超声或手摇分散为单片层。碱刻蚀法和电化学刻蚀法避免了含氟物质的使用。然而，在碱刻蚀法中，高浓度和高温是必要条件，而电化学刻蚀则存在产率低、表面基团受限等问题。2019年出现了一种以路易斯酸熔盐为刻蚀剂，在高温下实现MAX相刻蚀的新方法。该方法不仅避免了-F基团的引入，而且具有普适性，极大地扩展了MAX相的刻蚀范围。更重要的是，该方法为研究人员进一步调控MXenes的表面基团提供了可能性，值得进一步深入研究。
要点二：多片层MXene的剥离方法对前驱体刻蚀通常只能获得手风琴状的多片层MXene，需要进一步对其剥离才能得到二维MXene纳米片。剥离的方法主要分为有机物插层剥离法、无机物插层剥离法和机械剥离法，剥离的原理都是基于减弱MXene纳米片的层间作用力。每种剥离方法适用的MXene不同，如在有机物插层剥离法中，DMSO插层剂一般只能用于Ti3C2Tx MXene的剥离，而TBAOH等一般适用于通过水系刻蚀法获得的MXene，通过熔融盐刻蚀法得到的MXene目前只有通过正丁基锂插层实现了剥离的报道。综述总结了各种剥离方法的原理、特点和适用范围。
图2. MXenes的刻蚀、剥离策略的发展时间轴
要点三：MXene的规模制备实现规模制备是推动MXene材料实用化的关键。保证MXene纳米片的形貌和物化性质的一致性则是放大制备时面临的主要挑战，需要考虑大尺寸反应容器在反应过程中产生的温度梯度导致的刻蚀不完全或局部过刻蚀的问题，同时还需要考虑使用的刻蚀剂对设备的腐蚀和对环境的影响。柔性MXene膜、MXene纤维等在柔性电子器件和可穿戴设备等领域有着重要应用，因此它们的规模制备也是未来发展的方向。
要点四：MXene纳米片的抗氧化策略和稳定存储方法MXenes在水氧环境中易于氧化是制约其实际应用的主要因素之一。本文总结了MXenes氧化的机理，MXenes的氧化总是由边缘引发，继而扩散至表面。因此，加入抗氧化剂保护MXenes的片层边缘是常见的抗氧化策略。此外，改变存储环境、改变前驱体性质等也是延缓MXenes氧化速率的有效方法。
文章链接
Advances in the Synthesis of 2D MXeneshttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103148
通讯作者介绍
徐斌 教授。北京化工大学材料科学与工程学院和有机-无机复合材料国家重点实验室教授、博导，兼任中国超级电容产业联盟副秘书长、材料电化学过程与技术北京市重点实验室副主任。2006年博士毕业于北京理工大学，2016-2017年作为国家公派高级研修学者在美国德雷赛尔大学访问交流。主要从事先进化学电源与能源材料的研究与开发，包括超级电容器、锂/钠/钾离子电池、锂-硫电池电极材料与器件，电化学储能炭材料和新型二维MXene材料等。作为课题负责人先后承担国家自然科学基金、国家863、国家重点研发计划子课题、北京市科技计划、企业横向课题等。在Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, ACS Energy Lett, Nano Energy等期刊发表SCI论文120余篇，引用8100余次。
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