另辟蹊径，剥出一篇Nature Materials

兔兔

2020-04-15

第一作者：Youbing Li、Hui Shao

通讯作者：黄庆、Patrice Simon、林紫锋

通讯单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所、图卢兹大学、四川大学

背景 

二维（2D）过渡金属碳化物或碳氮化物（MXenes）是2D材料系列的最新成员之一，通过选择性蚀刻前驱体M_n+1AX_n相中的A原子层制得，其中M代表早期过渡金属元素（Ti、V、Nb等），A主要是Al、Si等，X是碳或氮。凭借其独特的2D层状结构，亲水性表面和金属导电性（>6000 S cm^-1），MXenes在诸多领域尤其是电化学储能领域显示出巨大的应用前景。

成果简介 

有鉴于此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所黄庆研究员、图卢兹大学Patrice Simon及四川大学林紫锋等人通过构建高温熔盐环境下阳离子与A元素的氧化还原电位/置换反应吉布斯自由能映射图谱，提出了一种路易斯酸熔盐刻蚀MAX相合成2D MXene的通用策略。

图1. Ti3C2Tx MXene的制备示意图。

要点1：Ti3C2Tx MXene的制备

为了验证该MXene剥离图谱的指导性，研究人员采用Ti₃SiC₂ MAX相开展了详细研究。研究发现，在700 ^°C的氯化铜熔融盐中，Cu/Cu²⁺氧化还原电位为-0.43 eV，而Si/Si⁴⁺的氧化还原电位为-1.38 eV。因此，熔融盐中离子态的Cu²⁺可轻易的将Si原子氧化成Si⁴⁺，Si⁴⁺最终与Cl^-形成SiCl₄气体从Ti₃C₂亚层中逸出，而Cu²⁺则被还原成Cu单质。产物中残余的Cu可通过硫酸铵溶液等方法去除，最终得到表面含Cl、O混合官能团的Ti₃C₂T_x（T_x=Cl、O）MXene。

图2. 熔盐法制备的MS-Ti3C2Tx MXene的形貌和结构表征。

要点2：方法的普适性

研究人员进一步根据MAX相中A位元素和路易斯酸盐在氯化物中的电化学氧化还原电势判断A位元素从路易斯酸盐的得电子能力，从而可以选择合适的路易斯酸熔盐和MAX相体系来制备MXene。Ti₂AlC、Ti₃AlC₂、Ti₃AlCN、Nb₂AlC、Ta₂AlC、Ti₂ZnC和Ti₃ZnC₂等MAX相均可以通过合适的氯化物熔融盐（CdCl₂、FeCl₂、CoCl₂、CuCl₂、AgCl、NiCl₂）剥离得到相应的（Ti₂CT_x、Ti₃CNT_x、Nb₂CT_x、Ta₂CT_x、Ti₂CT_x、Ti₃C₂T_x）MXenes。

图3.  路易斯酸熔盐法合成MXene的通用性。

要点3：材料的应用

路易斯酸熔盐剥离法合成MXene材料区别于溶液剥离的主流方案（如广泛采用的HF酸），极大提高了实验过程的化学安全性和降低废液处置难度与成本，有望进一步推动MXene材料在能源存储、催化化工、通信电磁信号管理和生物诊断等领域的研究进展。

图4. MS-Ti3C2Tx MXene的电化学性能（电解液：溶于1:1 EC/DC的1 M LiPF6 ）。

小结

本文以制备Ti3C2Tx为例报道了利用路易斯酸熔盐合成MXene的通用方法，有望推动MXene在能源存储等领域的应用。

参考文献：

Youbing Li, et al. A general Lewis acidicetching route for preparing MXenes with enhanced electrochemical performance innon-aqueous electrolyte. Nat. Mater. 2020.

DOI: 10.1038/s41563-020-0657-0.

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0657-0