华侨大学陈爱政教授课题组Small：基于超临界二氧化碳的三元溶液辅助合成无氟MXene的研究

MXenes是一种新兴的二维材料，由于其独特的物理化学性质而受到了极大的关注。MXenes通常是由危险的含氟试剂刻蚀MAX材料合成的，然而，现有的刻蚀条件会导致MXenes表面存在大量惰性氟官能团，使其性能显著下降。这极大地影响它们的物理和化学性质，并阻碍其潜在的更广泛应用。

近日，华侨大学陈爱政教授（点击查看介绍）团队提出了一种基于超临界二氧化碳的三元溶液（scCO₂/DMSO/HCl），用于制备无氟Ti₃C₂T_x结构（S-Ti₃C₂T_x MXene）。具体而言，由于scCO₂独特的物理化学性质，使得制备体系中形成均匀，高渗透性的三元溶液，局部浓度增加的HCl与材料层间的铝反应，断开钛-铝金属键；scCO₂和DMSO继续渗透材料层间，推进反应进行（图1）。

图1. 无氟Ti₃C₂T_x MXene的合成示意图：scCO₂三元溶液对MAX-Ti₃AlC₂进行酸蚀，以获得无氟Ti₃C₂T_x。

这是一个绿色温和的工艺，可以成功在盐酸浓度为0.5 M，压力为15-25 MPa，温度为32 °C-60 °C范围下制备出无氟碳化钛。经过简单的超声，离心纯化操作，可以得到纯度较高（89 wt%）、直径为1微米左右的大尺寸二维S-Ti₃C₂T_x片（图2）。

图2. 二维S-Ti₃C₂T_x片的制备过程和形貌表征。（a）S-Ti₃C₂T_x片的合成示意图；（b）少层S-Ti₃C₂T_x（≤10 层）的TEM图像；（c）-（d）单层 S-Ti₃C₂T_x片的TEM图像；（e）原子力显微镜图像以及（f）相应的高度剖面图；（g）S-Ti₃C₂T_x薄片的XRD图。

在超级电容器电极的应用中，S-Ti₃C₂T_x电极在2 mV/s的条件下可提供320 F/g的质量比电容，超过了已报道的含氟Ti₃C₂T_x（即 F-Ti₃C₂T_x，50-290 F/g）。经10000次循环后，电容保持率约为96.72%，库仑效率在所有循环中均高于96%（图3）。

图3. S-Ti₃C₂T_x薄膜电极的超级电容器性能。（a）S-Ti₃C₂T_x电极在扫描速率为 2-100 mV/s 时的循环伏安曲线；（b）电流密度为1-20 A/g时S-Ti₃C₂T_x电极的静电充放电曲线；（c）根据Ti₃C₂T_x电极的循环伏安曲线计算出的重量比电容与扫描速率的函数关系；（d） S-Ti₃C₂T_x电极在5 A/g电流密度下的循环行为。

此外，使用真空抽滤方法制备出的S-Ti₃C₂T_x薄膜还具有出色的电磁屏蔽性能，在厚度仅为2.5 μm的情况下，导电率高达4918.63 S/cm，总电磁干扰屏蔽效率为 53.12 分贝（图4）。

图4. S-Ti₃C₂T_x薄膜的形态和电磁干扰屏蔽性能。（a）S-Ti₃C₂T_x的截面扫描电镜图像，插图为S-Ti₃C₂T_x 薄膜（2.5 μm）的光学图像；（b）S-Ti₃C₂T_x薄膜的表面SEM 图像；（c） S-Ti₃C₂T_x和F-Ti₃C₂T_x薄膜的电磁屏蔽效率；（d）8.2 GHz时S-Ti₃C₂T_x和F-Ti₃C₂T_x薄膜的电磁屏蔽性能（SE_T、SE_A和SE_R）以及垂直方向的导电率；（e） S-Ti₃C₂T_x和F-Ti₃C₂T_x薄膜的吸收/反射屏蔽性能比和电磁波吸收效率；（f）不同材料的总电磁干扰屏蔽效率与厚度的关系。

综上所述，该研究证明了超临界辅助酸蚀技术可以成功制备出无氟的Ti₃C₂T_x MXene结构，该发现为制备无氟MXenes提供了一种新的绿色方法，并为进一步提高MXenes材料的性能提供了新的视角。

这一成果近期发表于Small，华侨大学化学工程与技术专业博士研究生刘昊为该文章的第一作者，导师陈爱政教授为通讯作者，陈标奇博士为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金（81971734、32071323 和32271410）及福建省科技创新团队项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Fluoride-Free Synthesis of 2D Titanium Carbide (MXenes) Assisted by scCO₂-Based Ternary Solution

Hao Liu, Biao-Qi Chen, Chang-Yong Li, Cun-Jiong Fang, Ranjith Kumar Kankala, Shi-Bin Wang, Ai-Zheng Chen

Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202305321

陈爱政教授简介

通讯作者

陈爱政，华侨大学生物材料与组织工程研究所所长，教授、博士生导师，入选国家百千万人才工程、被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，入选福建省A类高层次人才。目前担任中国生物材料学会理事、中国生物材料学会生物复合材料分会秘书长、生物医用材料闽台科技合作基地负责人、福建省生物材料科技创新团队带头人、福建省生物材料化工博士生导师团队带头人。主持国家自然科学基金海峡联合重点项目、国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项等国家级课题9项，主要从事超临界流体技术及生物材料与组织工程领域的研究，以通讯作者在AM, AFM, Adv Sci, Small, JCR, CEJ, AHM, BAM, Biomaterials等期刊发表SCI收录论文150余篇。

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