二维纳米材料新突破！有望取代石墨烯，批量化生产指日可待

十多年来，二维纳米材料（如石墨烯）一直备受追捧，被认为是制作更优的微型芯片、电池、天线和许多其他设备元件的关键。但是，这种厚度仅有原子级别的材料，若要实现应用，无疑面临着一项重大挑战：如何在不影响品质的情况下大量生产？

新的可能

现在，这项挑战对于MXene（过渡金属碳/氮化合物）而言不再是问题。近日，德雷克赛尔大学和乌克兰材料研究中心的科学家，设计了一套系统，可以大量制造MXene，同时还能保留材料的独特性能。

MXene是近几年发现的一种类石墨烯二维材料，具有超高体积比容量、金属级导电性、良好的亲水性，以及丰富的表面化学，因而在柔性储能电极材料中有广泛应用。已有相关研究证明，使用了MXene材料的原型设备，可以在储能、计算、通讯、医疗保健等方面加以应用。

一批即可制出50克

证明某种材料能够精炼和批量制备，是实现其产业化生产的关键一步。

在这项新研究中，科学家利用实验室规模的反应器系统，将陶瓷前驱材料转变为一堆粉末状的黑色MXene碳化钛，一次就能制出50克。这种材料正在向批量化制造迈进，是其走向主流应用的关键所在。

当然，证明一种材料具有某种特性是一回事，证明它可以克服批量生产中的挑战是另一回事。这项最新的研究，则朝这个方向迈出了重要一步。这意味着，MXene有望在电子设备和储能设备中广泛应用。

原理

自2011年首次合成MXene以来，德雷克赛尔大学的研究人员就一直在研究该材料的制备问题，不过产量却很少（通常不超过1克）。这种看起来就像是干燥粉末的层状纳米材料，源自于一种MAX相陶瓷。当用氟氢酸和盐酸的混合液与MAX相发生反应时，会腐蚀掉材料的某些部分，从而呈现为MXene这种纳米级薄片状特征。

这项最新研究所使用的反应器系统。图/德雷克塞尔大学

在实验室中，该过程是在60毫升的容器中进行的，容器中即装有上述混合液体。但后来，为了在更大的尺度上、更精确地控制这一过程，研究小组使用了一个1升的反应室，以及一个螺旋进料装置来精确地添加MAX相：一个进料口将物料均匀地加到反应室中，另一个口则用于在反应期间释放气体压力。经过特别设计的搅拌叶片可以充分、均匀地搅拌物料。反应室外有冷却套管，可以用来调节反应温度。整个过程由计算机程序控制。

效果显著

研究小组报道说，他们利用反应器在两天内（包括清洗、干燥样品所需的时间），从50克MAX相前驱材料中，制得了只比50克少一点点的MXene粉末。一系列测试发现，与此前小规模制备的产品相比，反应器中制备的MXene仍然保留了其形态、电化学和物理特性。

这项研究证明，MXenes只需少量的二维材料就可以实现工业规模的生产。但是，由于MXene是减材制造工艺（类似于刨木头，将原材料的一部分给刨掉），所以它与许多其他二维纳米材料的增材制造工艺不同。

“大多数二维材料是用自上而下的方式制备的，”德雷克赛尔大学纳米材料研究所博士后 Christopher Shuck解释说，“换句话说，就是把原子逐个累加起来，这些材料可以在特定的表面上生长，或通过非常昂贵的设备将原子沉积。但是，即便使用了昂贵的设备和催化剂，每个生产批次也会相当费时，产量很小，而且，如果要在电子设备中广泛使用，这些材料仍然显得极其昂贵。”

而MXenes则与它们不同，得益于一系列物理特性，从MAX相原材料到最终产品MXene的制备过程可以大大简化。

MXenes：二维材料中的少数派

通常来说，建立一项技术和工艺需要很长时间，才能使纳米材料实现工业级的应用。这当中，不仅仅涉及到批量生产的问题，而且还需要发明、设计全新的设备和工艺，才能使材料成型，嵌入到微型芯片、手机元件等的生产过程当中。不过对MXenes来说，整合到生产线中倒是相当容易的。

值得一提的是，MXenes在合成后，能以粉末状态加以利用，或是加入水中，形成稳定的胶体溶液。这无疑是其有利之处。毕竟，水是最便宜、最安全的溶剂。通过这项开发的新工艺，只需一个批量的MXenes材料，就可以压印或印刷成千上万的小型设备或超薄设备，例如超级电容或RFID标签。

这项工艺最令人兴奋的地方在于，如果扩大工业规模，根本不存在限制因素。大批量生产MAX相的公司正在越来越多，其中有很多是用存量丰富的前驱材料制备的。而且，二维材料鲜有可以通过常规反应工程装备和设计，用湿化学法大批量制备的，而MXenes则属于其中的少数派。

据悉，目前已有多家公司将目光聚焦于MXene材料的应用，其中就包括日本京都的电子元件公司Murata Manufacturing Co, Ltd.，该公司正在开发MXene技术，以应用于多种高科技产品中。

研究成果已发表于Advanced Engineering Materials杂志。

论文链接——DOI：10.1002 / adem.201901241

本文转自：iMaterials材料学人公众号