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二維MXenes的最新進(jìn)展：制備、插層及其在柔性器件方面的應(yīng)用

第一作者：徐金新，彭婷通訊作者：石勝偉*，於黃忠*，陳冰*單位：武漢工程大學(xué)，華南理工大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院

研究背景

二維材料MXene由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的性能自2011年在Derexl大學(xué)發(fā)現(xiàn)以來(lái)便受到了廣泛的關(guān)注。MXene材料的制備大多都是來(lái)自于對(duì)其前驅(qū)體MAX相的刻蝕得到，其中M代表的是元素周期表中的過(guò)渡金屬元素，A為主族元素，一般為Al或Si，X為C或N。得益于MXene在電子、光學(xué)、生物相容性等方面的卓越的性質(zhì)，使其在能源存儲(chǔ)、電磁屏蔽、傳感以及生醫(yī)學(xué)物等眾多領(lǐng)域都有著十分成熟的應(yīng)用。另外，MXene材料家族種類(lèi)豐富，經(jīng)過(guò)化學(xué)刻蝕其表面會(huì)含有豐富的表面基團(tuán)且經(jīng)過(guò)后處理等過(guò)程可實(shí)現(xiàn)對(duì)表面基團(tuán)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)材料性質(zhì)的多樣化。因此，MXene是二維材料領(lǐng)域中研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。本文總結(jié)了過(guò)去10年間MXene的合成路線的發(fā)展，簡(jiǎn)要說(shuō)明了有關(guān)MXene的插層方法，并且談?wù)摿薓Xene在柔性器件方面的應(yīng)用。

文章簡(jiǎn)介

基于此，來(lái)自武漢工程大學(xué)的石勝偉教授與中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院的陳冰副研究員以及華南理工大學(xué)的於黃忠教授合作，在國(guó)際知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表了題為“Recent Advances in 2D MXenes: Preparation, Intercalation and Applications in Flexible Devices”的綜述性論文。該論文主要介紹了MXene的合成方法的發(fā)展歷程并簡(jiǎn)要的分析了這些方法制備的內(nèi)在機(jī)理，對(duì)MXene的插層原理以及插層劑的使用做出了概述，詳細(xì)的討論了MXene這類(lèi)二維材料在柔性器件領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對(duì)MXene二維材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一：MXene材料的合成方法MXene的合成主要是來(lái)自于對(duì)其前驅(qū)體MAX相的刻蝕得到，通過(guò)選擇性的刻蝕掉其中的A層元素制備得到二維層狀的MXene材料。目前，MXene的合成路線多種多樣，最初是使用氫氟酸對(duì)其進(jìn)行刻蝕，可以獲得具有明顯的“手風(fēng)琴”形貌的二維MXene。但使用氫氟酸在實(shí)驗(yàn)操作中具有一定的危險(xiǎn)性，因此在之后發(fā)展出了一系列的基于氟基刻蝕的溶液合成法，其中目前使用最廣泛的是LiF和HCl路線的刻蝕方法。除了氟基刻蝕以外，一種無(wú)氟刻蝕的方法——Lewis酸熔融鹽合成法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX相的刻蝕，并且十分具有價(jià)值的是這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其表面基團(tuán)的控制及調(diào)節(jié)，對(duì)于拓展MXene材料的應(yīng)用具有十分重要的意義。另外，文中介紹了兩種基于物理方法固態(tài)刻蝕MAX相制備MXene的方法，紫外誘導(dǎo)選擇性刻蝕Mo2Ga2C制備Mo2C和熱還原Ti2SC制備Ti2C的方法，是在MXene合成方法中一次有意義的嘗試。文中總結(jié)了不同合成路線的反應(yīng)溫度，以及不同的方法對(duì)于MXene的表面基團(tuán)的影響。

要點(diǎn)二：MXene刻蝕后的插層處理在經(jīng)過(guò)選擇性地刻蝕掉MAX相中的A層元素以后，為獲得具有更大的層間距以及提高M(jìn)Xene的產(chǎn)率，進(jìn)行插層處理是十分必要的。本文中總結(jié)了在過(guò)去實(shí)驗(yàn)中使用的常用插層方法，總結(jié)了在插層過(guò)程中使用的化學(xué)試劑以及陽(yáng)離子，并給出了每種方法對(duì)于MXene層間距的影響。大的層間距對(duì)于提高M(jìn)Xene的光學(xué)特性，電化學(xué)領(lǐng)域中的離子傳輸?shù)榷际鞘种匾模诓鍖舆^(guò)程中不僅能夠擴(kuò)大層間距而且部分方法還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MXene表面基團(tuán)的功能化。因此，對(duì)于插層方法的研究也是MXene中研究的一個(gè)重點(diǎn)。

要點(diǎn)三：MXene在柔性器件中的應(yīng)用MXene材料本身具備眾多優(yōu)異的性質(zhì)，通過(guò)真空抽濾的自支撐薄膜具有良好的導(dǎo)電性以及優(yōu)異的柔韌性，薄膜可以很容易地實(shí)現(xiàn)彎折、扭曲等操作，文中介紹了MXene在柔性器件中的一系列應(yīng)用。純MXene材料可以作為一種柔性電極材料應(yīng)用在超級(jí)電容器、傳感器、柔性有機(jī)發(fā)光二極管中，MXene與其它材料的復(fù)合中也展現(xiàn)出了良好的柔韌性，如與銀納米線的復(fù)合作為交流電致發(fā)光器件及電磁屏蔽復(fù)合材料展現(xiàn)出了穩(wěn)定的發(fā)光效率和超高的電磁屏蔽效率。與還原氧化石墨烯及碳納米管等碳材料的復(fù)合作為柔性電極在超級(jí)電容器中使用，表明MXene的加入使電極具備一定柔性的同時(shí)還展現(xiàn)了可進(jìn)一步地提高電荷存儲(chǔ)能力；與聚乙烯醇（PVA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等聚合物材料的復(fù)合在保證復(fù)合材料柔韌性的同時(shí)賦予了材料導(dǎo)電能力，使其可以作為一種壓電傳感器用于檢測(cè)人體活動(dòng)。總之，無(wú)論是純的MXene材料還是基于MXene的復(fù)合材料在柔性器件中都有著十分廣泛的應(yīng)用。
要點(diǎn)四：前瞻經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，MXene材料的種類(lèi)不斷壯大，成功制備了適用于不同領(lǐng)域的MXene材料，但尋找一種通用的，簡(jiǎn)便的，對(duì)環(huán)境友好的合成方法仍然是追求的目標(biāo)。目前究最多的也是最先發(fā)現(xiàn)的MXene是具有Ti3C2Tx 結(jié)構(gòu)的材料，原因在于Ti3C2Tx的電導(dǎo)率搞且合成工藝成熟，而之前的研究表明MXene材料的種類(lèi)非常豐富，探索更多的MXene材料開(kāi)發(fā)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景是今后研究的一個(gè)重點(diǎn)。另外一個(gè)十分重要的是對(duì)于MXene表面基團(tuán)的調(diào)控是調(diào)節(jié)其性質(zhì)的關(guān)鍵，表面基團(tuán)對(duì)于結(jié)構(gòu)、電子學(xué)、分散性等特性影響明顯，能夠有效地調(diào)控MXene的表面基團(tuán)對(duì)于提升其應(yīng)用效率，開(kāi)拓新的應(yīng)用場(chǎng)景都是有利的?？傊?，對(duì)于MXene材料的認(rèn)識(shí)還不充分，還需更多的科研工作者投身其中。

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