北科納米可提供MXene（可定制）

研究摘要

MXene作為一種新興的二維材料，在儲能、催化、超導、電磁屏蔽等多個領(lǐng)域都有良好的應用前景。Ti3C2Tx是一種新型的層狀二維納米片，通過氫氟酸刻蝕去除Al原子層后，以多層形式存在。目前單層MXene材料的合成方案多依靠刻蝕和剝離兩步進行，其中剝離主要是依靠對多層使用有機堿或鋰離子進行插層，隨后輔助以超聲使材料大量分層。然后超聲的使用，不可避免地導致單層MXene材料破碎，表面產(chǎn)生大量缺陷，使材料的電導率下降、穩(wěn)定性變差。如何避免超聲的使用對于提升MXene材料的性能，具有重要的研究意義。

為了解決上述問題，普遍的措施是使用手搖震蕩等方案以使單層MXene材料從體相剝離。然而，對于該過程中的力學作用還缺乏足夠了解，另外該手搖或震蕩剝離策略的效率較低。因此，尋找一種能夠獲得潔凈、大尺寸、少缺陷、高產(chǎn)率的二維MXene的制備方案具有重要意義。

成果簡介

近日，上海師范大學李輝教授和張宸豪副教授團隊通過對MXene剝離過程中分層的阻力和動力的分析，結(jié)合MXene獨特的風琴狀結(jié)構(gòu)，設計了一種動力集中剝離Power-focused delamination（PFD）的方案。簡而言之，MXene蝕刻后的多層結(jié)構(gòu)通過離心沉淀被層層堆疊，變得更容易剝離。同時，水流渦旋運動產(chǎn)生的沖擊力集中在MXene薄片的單個表面上，可以有效地克服MXene薄片的層間力，做有用功。而在MILD過程中，手搖產(chǎn)生的能量主要轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬覯Xene塊體的動能，很少提供給薄片層以克服層間力。在 PFD 過程中，渦流產(chǎn)生的沖擊力集中在 MXene 沉淀的表面。因此，使用這種方法，可以施加聚焦剪切力以從多層 MXene 的表面剝離單層的 MXene。使用這種方法獲得的產(chǎn)量明顯高于使用 MILD 方法獲得的產(chǎn)量。經(jīng)過 5 次 PFD 循環(huán)后，大片層無缺陷 Ti3C2Tx?MXene 納米片的產(chǎn)率達到 61.2%，膠體濃度為 20.4 mg mL-1，無需任何超聲處理。MXene 片材相對較大的橫向尺寸允許輕松制造納米薄的 MXene 場效應晶體管 (FET) 器件，其電導率高達 25000 S cm-1。所制備的獨立式 MXene 膜具有 35419 dB cm2?g-1?的出色絕對電磁屏蔽性能，超過了金屬、石墨烯/碳納米管和傳統(tǒng)方法制備的 MXene 材料。這種使用PFD方案制備的高質(zhì)量MXene納米片有望促進對大規(guī)模和尺寸相關(guān)的MXenes的研究，并擴大MXenes的應用范圍。

該成果在線發(fā)表于國際頂級期刊?Advanced Science?(影響因子17.521) 上，題目為：Synthesis of Large-Area MXenes with High Yields through Power-Focused Delamination Utilizing Vortex Kinetic Energy。

張慶蕭和范潤澤為本文共同第一作者。

圖文導讀

圖1. Ti3C2Tx?剝離：a) Ti3C2Tx?剝離的常規(guī)超聲處理、MILD 和 PFD 方法示意圖；比例尺：2 μm。b) 不同處理后分散的 Ti3C2Tx?MXene 的產(chǎn)率和 c) PFD 不同持續(xù)時間后獲得的分散的 Ti3C2Tx?MXene 的產(chǎn)率。(d) 通過不同超聲時間處理制備的 MXene 的尺寸和電導率。

圖2.?制備的LPFD-Ti3C2Tx的TEM圖像

圖3.?MXene 的電導率測量和性能比較。a) LPFD-Ti3C2Tx?MXene 納米片的電導率測試方案示意圖。b) 具有 LPFD-Ti3C2Tx?MXene 納米片的 FET 器件的光學顯微鏡圖像。c) VG = 0 的器件的 IDS-VDS 曲線。插圖是在最大電壓下兩次測試中獲得的誤差示意圖；差異幾乎可以忽略不計，可以認為是測試誤差。d) 不同工藝制備的 Ti3C2Tx?MXene 材料的報告電導率、尺寸和材料產(chǎn)量的比較。

圖4.?溶液剝落的流體動力學模擬。a)?多層MXene材料在常規(guī)搖動過程中未錨定和 b) 在 PFD 方法中錨定時，水流和塊運動的變化隨水流速度和 c) 壓力的變化而變化。d) 在非錨定和錨定條件下，表面納米片在分層過程中獲得的彈性勢能。e) PFD 過程中表面層獲得的動能和彈性勢能。

實驗部分：原料選擇

對于制備MXene材料，原料的選擇尤為重要。本文選用的原料為同一批次購買的商業(yè)Ti3AlC2原料，見原文SI部分。注：非商業(yè)推廣，其他公司原料可能會制備效果更佳。

作者心得：無論是本文的方案，還是關(guān)于其他文章中非常成熟的合成方案，如果重復多次還是做不出來，建議換Ti3AlC2原料再進行嘗試。我和幾位制備MXene材料的朋友都為此吃過虧，耽誤了很久的實驗，因為自己淋過雨，希望能幫大家撐個傘，科研人不易，且行且珍惜。

此處@SJTU胡同學、DUT譚同學、NUS田同學、SDUT董同學，加油！

實驗部分：LiF/HCl刻蝕

刻蝕原料：Ti3AlC2

刻蝕質(zhì)量：3克

刻蝕溶劑：濃度為27%的HCl、60毫升（*注，濃度可以略高一點）

刻蝕溫度：45度（*注，此處為刻蝕溶劑的實際溫度，建議實驗前以水替代，測試一下溫度）

刻蝕時間：24小時

攪拌速度：約450 rpm（一般性參數(shù)，對刻蝕影響不大）

作者心得：刻蝕的時候要要留有一定縫隙，不要密不透氣，可以是直徑2-3mm左右的小孔，也可以是一條小的縫隙（個人經(jīng)驗）。這個細節(jié)很少有文章提出，但是需要注意，本文實驗部分有提及，歡迎引用。

實驗部分：刻蝕后清洗

步驟1：酸洗：使用稀鹽酸洗滌兩次，有利于雜質(zhì)去除。本文實驗部分有提及，歡迎參考。

步驟2：水洗至上層液體pH為中性，或自動分層。自發(fā)分層時往往接近在pH≈4-6.

作者心得：對于刻蝕后的原料，存在兩個可能的誤區(qū)（在交流群看大家經(jīng)常討論這兩個問題，我也參與過幾次，談一下自己的理解）。

1.是可能會認為這個材料應該是手風琴狀（accordion structure），這里提醒大家一點，這個不是必須的形貌，可以參考文章Progress in Materials Science 120 (2021) 100757，第10頁的部分。

2. 是這里得到的應該是純MXene材料，其實也是不確定的，特別是LiF/HCl的刻蝕方案，刻蝕、洗滌、干燥后，其實是（多層MXene＋未完全刻蝕的MAX＋雜質(zhì)）的混合物，這點我們在文章中進行了論述，如果以后寫文章有需要，可以作為論據(jù)。

以上描述僅對于刻蝕后尚未分層的材料，一旦進行剝離，單層MXene和其余雜質(zhì)可以通過離心進行良好的分離，所以想要制備單層的同學并不需要在意多層形貌和純度的問題。

實驗部分：洗滌后剝離

洗滌后的剝離，根據(jù)大家的需要，其實有很多方案，我斗膽在這里簡單談一下自己的理解：

作者心得：其實現(xiàn)在剝離很簡單了，甚至于有些文章已經(jīng)可以不依靠任何的超聲和震蕩就能進行了。剛研究MXene的同學，一定先建議嘗試一下超聲剝離，然后再根據(jù)自己的需要選擇其他方案，有助于理解材料性質(zhì)的。

總結(jié)

本文報告了一種快速有效的 PFD 策略，以幫助制備 Ti3C2Tx?MXene 材料。通過受控實驗，我們證明了在 PFD 過程中，通過振蕩產(chǎn)生的渦流流體的剪切集中在 Ti3C2Tx?MXene 沉淀物的表面層上。這促進了表面 Ti3C2Tx?MXene 納米片和塊之間的不協(xié)調(diào)運動。與超聲剝離和 MILD 方法相比，該方案大大提高了剝離效率，產(chǎn)量提高了 6.4 倍。此外，通過 PFD 工藝制備的 MXene 層具有較大的橫向尺寸，并且可以防止使用超聲剝離法時觀察到的形態(tài)損傷和性能損失。最后，通過 PFD 方法制備的 Ti3C2Tx?MXene 材料的 SSE/t 值遠高于通過超聲波處理制備的材料（35419 dB cm2?g-1）?？傊?，這種新的輔助剝離策略顯著提高了大面積單層 Ti3C2Tx?MXene 材料的剝離效率，有望為 Ti3C2Tx?MXene 材料的各種應用開辟新途徑。

文獻鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202202748

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