高温超声剥离实现95％高产率单层MXene制备

注：文末有本文科研思路分析

近年来，随着二维材料在多个前沿领域的应用，MXene材料以其卓越的导电性和亲水性在能源存储、智能设备等方向受到广泛关注。然而，MXene材料的制备面临着一个长期存在的瓶颈—单层MXene产率较低，制约了其规模化应用。哈尔滨工业大学樊志敏团队近期在Angew Chemie International Edition 上发表了一项研究成果，成功通过高温超声剥离技术解离多层MXene中的氢键笼状结构，实现了95%以上的单层MXene高效制备，并证明该方法在工业规模上具备极大潜力。

传统的MXene制备方法依赖于冰浴超声剥离，通过在低温条件下进行操作以避免材料的氧化问题，但这导致了低产率和低效率。樊志敏团队提出了高温超声剥离策略，将超声温度提升至70°C，显著削弱了氢键笼结构的束缚，增强了超声空化效应，最终使得多层MXene在温和的条件下能够被快速、彻底地剥离为单层纳米片。

图1. 高温超声克服多层MXene氢键笼约束过程

樊志敏团队通过该高温超声策略，不仅实现了高效的实验室级别剥离，还将这一技术成功应用于百克级规模的MXene生产。研究表明，在高温超声剥离后制备的MXene墨水具有优异的加工性能和稳定性，能够通过丝网印刷和涂布工艺大规模生产高质量MXene薄膜。这些薄膜在红外隐身和焦耳加热方面展现出卓越的性能，特别适用于智能可穿戴设备和能源器件领域。值得注意的是，该研究团队还发现，MXene薄膜在长时间的使用和储存过程中保持了高度稳定性，其导电性能与机械性能在多次循环测试后仍未出现显著衰减，进一步验证了高温超声剥离技术的可靠性。

图2. 百克级MXene规模生产及油墨加工

为了深入理解高温超声剥离的工作原理，该团队结合分子动力学模拟和实验验证，揭示了氢键笼结构的削弱是提升剥离效率的关键机制。在70°C条件下，多层MXene中的氢键与水分子之间的相互作用显著减弱，超声波产生的气泡能够更容易地渗透至层间，最终导致高效剥离。值得一提的是，这一策略不仅适用于Ti₃C₂T_x MXene，还在其他多种MXene材料上展现出同样的高产率，为未来二维材料的制备和应用开辟了新路径。

这一成果近期发表在Angew Chemie International Edition 上。

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Scalable, High-Yield Monolayer MXene Preparation from Multilayer MXene for Many Applications

Xiangxiang Shi, Zhen Yu, Zi Liu, Ningning Cao, Lin Zhu, Yuyan Liu, Ke Zhao, Ting Shi, Liang Yin, Zhimin Fan

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202418420

科研思路分析

Q：这项研究最初的目的是什么？

A：MXene作为一种极具潜力的二维材料，受制于其制备过程的低效率，始终难以实现规模化应用。我们团队的目标是通过提高单层MXene的剥离效率，解决这一关键瓶颈，进而推动MXene材料在智能设备、能源器件等领域的实际应用。

Q：研究中遇到了哪些挑战？

A：在研究初期，如何在不损害材料质量的前提下提高剥离效率是一个重大挑战。通过不断优化超声功率、温度以及剥离时间，我们最终找到了最优的参数组合，并成功实现了近100%的单层MXene产率。

Q：这一成果有哪些重要应用？

A：单层MXene的高效制备为智能可穿戴设备、电磁屏蔽、柔性电子器件等多个领域带来了重要的技术支持。尤其是在高性能智能纺织品、柔性传感器等方面，我们相信这一成果将推动相关产业的发展，开启新一轮科技创新的浪潮。