近日，前沿科学研究院和材料科学与工程学院杨维清教授团队博士研究生王勇彬在材料学领域国际著名期刊《Advanced Materials》发表了题为“Ultrafast Synthesis of MXenes in Minutes via Low-Temperature Molten Salt Etching”的最新研究成果。《Advanced Materials》是世界上最负盛名的期刊之一，多年来在材料、化学、物理等学科领域位列TOP一区期刊，2024年度影响因子为27.6。该工作提出了一种全新的MXene低温熔融盐（LTMS）超快合成策略，实现了Ti3C2Tx MXene的分钟级快速制备，并成功将其推广至其他多种MXene的高效合成，为二维材料MXene的高效可扩展合成提供了行之有效的新思路。前沿科学研究院与材料学院杨维清教授、刘妍副教授为论文通讯作者，材料学院2022级博士研究生王勇彬为论文第一作者。
MXene作为目前最具发展前景的二维材料之一，其因独特的物理化学性质在当今新能源、柔性电子、智能传感、生物医疗等多个新技术领域中展现出巨大的应用潜力，成为国家战略需求中的一项关键材料。然而，目前MXene的制备普遍采用传统的氢氟酸溶液或高温熔融盐刻蚀等策略，这些方法通常需要数十到数百小时，且制备条件苛刻、效率低、可扩展性差。这些问题严重阻碍了MXene的大规模生产和实际应用的广泛推广。因此，如何突破这一制备瓶颈，实现MXene高效率、低成本的绿色大规模制备，已成为推动其工业化生产和商业化应用的关键问题。
图1 LTMS刻蚀策略制备Ti3C2Tx的示意图及其与其他制备方法的比较
针对此现状，材料科学与工程学院杨维清教授团队围绕MXene的高效制备与宏量剥离历经多年沉淀，提出利用高能熔融盐作为刻蚀剂来提高MXene制备效率的新策略，攻克了传统刻蚀方法耗时长、能耗高、效率低的难题。该方法以130℃的NH4HF2熔融盐作为刻蚀剂，成功将Ti3C2Tx MXene的制备时间由数十到数百小时缩短至5分钟，且产物的质量与纯度高，手风琴形貌规整。
LTMS刻蚀方法具有设备要求低、普适性好、可扩展性强等优点，反应可在高压反应釜、双颈烧瓶、三颈烧瓶等多种容器中进行。除Ti3C2Tx外，通过LTMS策略成功实现了V4C3Tx、Nb4C3Tx、Mo2TiC2Tx、Mo2CTx等MXene的分钟级超快制备。在简单的5000 mL三口烧瓶中单次反应可成功合成超过100克产物，产物具有极高的纯度与均匀的手风琴形貌。本工作为MXene的超快和可扩展合成提供了新途径，有望推动其工业化大规模生产与商业化应用。
图2 多种LTMS-MXene的物相表征
图3 LTMS方法大规模制备MXene及其产物物相表征
该项研究工作得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金以及化学材料研究所科学基金等项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202410736