MXenes的可行性如何?

DT半导体材料 2024-06-20 18:08

MXenes

活动主题铂族金属与MXenes结合下的合成与应用拓展

活动时间:2024年7月10日下午14:00-17:00

活动地点:上海市滴水湖洲际酒店 1F“黄日”多功能会议厅(上海市浦东新区南汇新城滴水湖南岛1号)

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近年来兴起的一种类石墨烯的二维层状材料——二维过渡金属碳/氮化物(一般称为 MXene),自2011年被报道之后,逐步受到材料科学家的青睐。
那什么是MXene?是科研噱头,还是有真材实料?产业化可行性如何?接下来和小编一起走近MXene的二维世界,一探究竟!
   MXene的发现
MXenes的研究历史可以追溯到2011年,由Drexel大学(美国)的Yury Gogotsi教授及其合作者Michel W. Barsoum教授等人首次报道了一种以氢氟酸HF为剥离剂,利用电化学剥离法制备出Ti3C2TX MXene材料的方法。此后,越来越多的学者开始探索MXenes的制备方法和性质。
2014年,研究者报道了利用二氧化氯来剥离原始材料制备Nb2C MXene的方法。同年,Gogotsi等人报道了一种新型的硫酸镁剥离法,实现了对多种MXenes的高效制备。之后,还有很多基于酸处理法、碱处理法、无水氢氟酸剥离法和电化学剥离法等方法制备MXenes的研究被报道出来。随后,科研界对MXenes的研究逐渐增多,涉及其种类、结构、合成方法和应用等方方面面。
   有多少种MXene材料
那么,究竟有多少种类MXene材料?
据统计,截至目前,已经报道了超过70种MXenes,并且仍有更多待发现。
MXene家族为何如此庞大?
MXenes是一类二维纳米材料,统称二维过渡金属碳/氮化物。MXenes的化学式可表示为MnXn−1Tx (n=2~5),其名称来源于其组成元素,M指的是过渡金属元素,XCN元素,Tx为表面官能团比如FOOH等,官能团种类与MXenes材料的物理化学性质密切相关。
与传统的二维材料“石墨烯”相比,MXenes具有更加复杂的结构,通常由多个结构单元叠加而成。MXenes的典型结构由M-X-M层构成,其中X原子位于两个过渡金属层之间,并与之形成典型的Heptagon-Pentagon-Heptagon (HPH) 多边形结构。MXenes的重要特性包括高度可调控的表面化学活性和导电性、优异的力学性能、丰富的层间间隙结构等,这些使得MXenes在各种领域具有广泛的应用前景。
二维MXene的结构和形貌
MXene材料的前驱体是MAX相陶瓷,这是一类具有三元层状结构的金属碳化物或氮化物,兼具陶瓷材料高模量和金属材料高导电性的优点,其通式是Mn+1AXn (简称为MAX)。

MAX相的结构和相应的MXene结构(来源:2013 WILEY-VCH VerlagGmbH & Co.KGaA;MXene的制备及应用进展,高分子通报,10.14028/j.cnki.1003-3726.2022.09.003)
其中M是过渡金属元素(Ti、V、Mo、Cr、Zr等);A是第3或第4主族元素(Al,Si,Pb 等);X为碳或氮元素(n=1、2、3)。当n=1时,MAX为(211) 相,典型材料是 Ti2AlC和V2AlC;当n=2时,MAX为(312)相,典型材料为Ti3AlC2;当n=3时为(413)相,典型材料为V4AlC3。MXene的X位原子可以被N、O或P等杂原子取代。此外,MXene晶体结构随着M原子数量的不同而变化。在M2X中,M原子序列为ABABAB的六方紧密堆积模式。在M3X2和M4X3中,M原子序列为ABCABC的面心立方堆积模式。并且,该层状材料中相邻层由范徳华力结合,具有可变性,通过超声剥离等物理手段破坏层间的范德华力,可获得少层或单层的MXene,从而暴露更多的活性位点。

(来源:MXene的制备及应用进展,高分子通报10.14028/j.cnki.1003-3726.2022.09.003

MXene的晶体结构如图所示。上述M若有两种或两种以上元素组成,则它会以两种形态存在:固溶体和有序相。以固溶体方式存在的M层中,能观察到过渡金属的晶体结构呈随机排列;而以有序相方式存在的M层中,则是单层或双层的一种过渡金属插入到另一种过渡金属层中。有序相的MXenes比它们对应的固溶体相更稳定。Ti3C2 材料是二维MXene材料家族中的重要成员,当前阶段,研究中最常用的MAX相是

Ti3AlC2

MXene的性质
MXene的特殊的层状结构和化学组成赋予了其多种优异的性质,例如:
导电性:MXene具有高度导电性,使其成为电极材料、传感器、储能器等领域的重要应用材料。
机械性能:MXene具有优异的力学强度和韧性,使其适用于制备柔性电子设备等领域。
光学性质:MXene对光的吸收和散射特性也受到广泛关注,这使得其成为透明导电薄膜、光催化剂等领域的潜在应用材料。
化学反应活性:MXene的表面官能团可以与不同种类的分子进行反应,从而赋予其可调控的表面性质和化学反应活性。
需要指出的是,不同种类的MXene可能具有不同的性质和应用潜力,并且MXene材料的性质通常还受到前体材料、剥离方法、后续处理等因素的影响
   怎么合成MXene?
合成是 MXene研究的基础, 也是决定其最终物理化学性质的根本。所有的 MXene 材料研究都涉及到如何得到这种新型二维材料。
同样是二维材料,但MXene的制备方法不同于石墨烯。石墨烯是通过天然产物石墨剥离得到的,而MXene在自然界中没有直接的前驱体。目前,主要的MXenes制备方法包括酸处理法、碱处理法、无水氢氟酸剥离法和电化学剥离法等。
目前几乎 90%以上的研究都会采用含氟刻蚀剂的化学方法将MAX 相转变为 MXene。该方法简单易行, 特别适合在常规化学实验室中操作。
路易斯酸熔盐刻蚀的方法是近年来发展出来的非溶剂化学刻蚀方法, 非常适用于调控 MXene 表面端基。
然而,MXenes的进一步发展仍然面临一些挑战和难点,如存在的固相杂质、稳定性和可扩展性等,需要通过不断探索和技术创新来解决。
   MXene能用在哪?

自2011年MXene首次发现以来,由于MXene的化学结构、独特的电子性质、优异的机械性能以及丰富的表面官能团,在电磁屏蔽、生物医药、能量转换与存储、传感器等方面有很大的应用潜能。近年来MXene材料涌现出一系列重要突破, 令人目不暇接。

例如,MXenes 兼具表面亲水性、化学稳定性等优势,既可直接作为理想的催化剂,也可作为催化剂的载体。研究人员将贵金属、过渡金属化合物、非金属等与 MXenes载体复合,通过改善活性位点再生能力,改变催化反应路径及增强稳定性来提升催化剂性能。MXenes材料在机械强度、抗氧化、亲水、化学稳定性等方面均表现优异,作为电催化材料的活性物质或载体时也表现出良好的电催化性能。

未来,可以进一步研究开发MXene在这些领域的实际应用,并探索新的应用领域。

   MXene,业界在研究什么?
今年2月,为了及时跟踪MXene新兴二维无机材料的研究进展, 《无机材料学报》组织了一期特邀专题评述,邀请了活跃在 MXene 研究前沿并取得重要进展的专家, 请他们讲述 MXene 研究的心得体会, 并指出存在的问题和挑战。
宁波材料所,黄庆研究员团队,在编者按写道,“乱花渐欲迷人眼, 浅草才能没马蹄”、MXene的研究渐入佳境。该团队的“化学剪刀”结构编辑策略提出后进一步丰富了MXene材料表面化学和晶体结构, 为定制化合成该二维无机材料提供了全新思路。
宁波材料所黄庆研究员:无机材料的“化学剪刀”结构编辑策略(点击跳转成果介绍)
MAX相作为传统的结构与功能一体化材料,在高温应用方面的潜力巨大, 但是其层状结构的增韧特性并没有得到很好的诠释。其中,刘增乾团队通过巧妙的实验设计得到具有类贝壳微观结构的MAX相/镁合金复合材料, 大幅度提高了材料的强度和韧性, 但调控界面润湿和结合强度仍是未来研究的重点。
金属研究所刘增乾,张哲峰:MAX相陶瓷增强金属基复合材料(点击跳转成果介绍)
程群峰团队近期在高性能MXene纳米复合材料研发上取得了突破性进展, 提出界面协同概念提高复合材料的致密度, 并认为未来应该更加关注大面积、高效率、规模化的MXene复合材料制造技术。
北航程群峰团队:高性能MXenes纳米复合材料(点击跳转成果介绍)
阿卜杜拉国王科技大学Alshareef团队撰文论述了MXene电子学应用研究, 并特别指出MXene诸多关键物理化学性质(如亲水性、功函数可调、表面端基可控、导电、特征离子激元和电磁相互作用等)对于未来电子器件研究的重要意义。
沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学:MXetronics—MXene电子学
沈国震团队也介绍了MXene材料在柔性光电探测器中的研究现状, 特别指出半导体型MXene是最终实现器件应用的关键。
北京理工大学沈国震:柔性光电探测器中的MXenes材料
汪德高团队回顾了MXene作为添加剂对于新型薄膜太阳能电池的作用, 二维MXene可以在界面处调控能带、光吸收效率和电传输等, 对发展高光电转化效率光电器件有积极的作用。
汪德高团队:二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的研究进展
张传芳团队则介绍了面向电子器件和能源应用的MXene油墨印刷技术, 其中特别强调MXene材料的环境稳定性和封装技术是需要关注的难题之一。MXene具有类金属导电性和手风琴状结构, 因此在应力调控下具有电阻变化的响应特性。
四川大学张传芳教授:多功能MXene油墨
高义华团队详细介绍了MXene压力传感器的研究进展, 同时也提及了几种新型传感机制, 如电容式传感、摩擦电式传感、压电式传感、电池式传感和纳米流体传感等, 在未来的“电子皮肤”应用领域很有发展前景。
华中科技大学刘逆霜教授,高义华教授:MXene压力传感器
MXene材料与电磁波之间的相互作用引起了广泛研究兴趣, 如电磁屏蔽相关研究等。于石墨烯材料相比, MXene固有的亲水性使得终端应用(如涂层和聚合物复合材料)更加方便, 韩美康团队最新工作显示MXene在红外波段具有结构可控的辐射特性, 尤其是改变晶格元素、端基组成和层间距可显著影响红外响应, 有望发展成全新的红外波段物理器件。
复旦大学韩美康,王建禄:MXene的红外特性及其应用
肖旭团队最新工作发现MXene在全太赫兹波段能够实现理论极限50%的吸收率, 并指出高载流子浓度和超快弛豫时间是其在太赫兹宽频均一响应的关键因素。未来太赫兹技术在探测、成像、通信等领域会发挥越来越重要的作用, 因此MXene材料也将受到越来越多的关注。
电子科技大学肖旭研究员:MXenes及其复合物的太赫兹电磁屏蔽与吸收(点击跳转成果介绍)
MXene在储能领域的研究一直以来都是热点, 支春义团队阐述了用于锌离子电池的MXene阴极、阳极和电解质/隔膜的最新进展, 讨论了离子插层调控、表面接枝修饰、原子掺杂、层间距控制等手段的作用。这些研究思路对于其它离子电池研发都具有很好的借鉴意义。
支春义团队:MXene在锌离子电池中的应用: 研究进展与展望
   铂族金属邂逅MXenes将会产生什么样的火花?
铂族金属与MXenes材料的结合表现出优异性能,在催化、传感、医疗等方向发展潜力备受科研工作者的关注,然而,MXenes的进一步发展仍然面临一些挑战和难点,如存在的固相杂质、稳定性和可扩展性等,以及MXenes如何大规模制备、表面修饰和机械性能等,其商业化道路如何发展,如何充分发挥其优异性能……这些问题仍需要通过不断探索和技术创新来解决。

2024上海铂金周将于7月8日-11日在上海举办在英美资源贸易(中国)有限公司的积极推动下,DT新材料联合中国科学院宁波材料技术与工程研究所协力相助,以“铂族金属与MXenes结合下的合成与应用拓展”为主题,举办新材料分论坛,深入探讨二维过渡金属碳化物氮化物的最新研发成果、工艺创新、产业化合作,以及面临的机遇和挑战。
上海铂金周,邀您共话MXenes机遇与挑战!

MXenes

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