自2011年被成功制備以來，MXenes已經(jīng)成為二維材料領(lǐng)域的新星。MXenes具有金屬級別的電子電導(dǎo)率、大且可調(diào)的層間距、低的離子擴(kuò)散勢壘、豐富的表面化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在能量存儲與轉(zhuǎn)換、傳感器、光電子學(xué)、電磁屏蔽和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，有兩個問題嚴(yán)重阻礙了MXenes的進(jìn)一步發(fā)展，第一個是常用的制備方法如氫氟酸刻蝕等具有極大的危險性，第二個是難以獲得表面基團(tuán)可控的MXenes。近年來，路易斯酸熔融鹽刻蝕作為一種全新的MXenes制備策略，因其實(shí)驗(yàn)安全性高且能賦予MXenes可控的終端而備受關(guān)注。本綜述從刻蝕機(jī)理、終端調(diào)控、原位形成金屬和多層MXenes的分層四個方面詳細(xì)介紹了路易斯酸刻蝕，然后對路易斯酸刻蝕路線制備的MXenes和MXenes復(fù)合材料在能量存儲和轉(zhuǎn)換、傳感器和微波吸收等方面的應(yīng)用進(jìn)行了全面的總結(jié)。最后，提出了路易斯酸刻蝕方法面臨的一些挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

Recent Advances and Perspectives of Lewis Acidic Etching Route: An Emerging Preparation Strategy for MXenes

Pengfei Huang and Wei-Qiang Han*

Nano-Micro Letters (2023)15: 68

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01039-z

本文亮點(diǎn)

1.?主要從刻蝕機(jī)理、終端調(diào)控、原位形成金屬和多層MXenes的分層等方面介紹了路易斯酸刻蝕法。

2.?對路易斯酸刻蝕路線制備的MXenes和MXenes復(fù)合材料在能量存儲和轉(zhuǎn)換、傳感器和微波吸收等方面的應(yīng)用進(jìn)行了全面的總結(jié)。

內(nèi)容簡介

路易斯酸熔融鹽刻蝕方法自2019年被提出以來受到了研究人員廣泛的關(guān)注，顯示出大的應(yīng)用前景。因此，及時總結(jié)研究進(jìn)展是非常有必要的。浙江大學(xué)韓偉強(qiáng)課題組全面總結(jié)了近年來路易斯酸刻蝕策略的研究進(jìn)展。首先，簡要介紹了基于非路易斯酸刻蝕路線的MXenes的傳統(tǒng)制備方法，主要包括了HF刻蝕、原位HF刻蝕、雙氟鹽刻蝕、電化學(xué)刻蝕、堿刻蝕、普通熔融鹽刻蝕等。然后，主要從刻蝕機(jī)理、終端調(diào)控、原位形成金屬和多層MXenes的分層四個方面闡述了路易斯酸刻蝕策略。隨后，詳細(xì)討論了路易斯酸刻蝕工藝制備的MXenes及MXenes基復(fù)合材料在能量存儲和轉(zhuǎn)換、傳感器和微波吸收等方面的應(yīng)用。最后，對路易斯酸刻蝕方法面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇提出了一些展望。本文旨在為路易斯酸刻蝕策略的未來發(fā)展提供一些幫助，使更多的研究人員充分了解這一新興方法，從而促進(jìn)其廣泛應(yīng)用。

圖文導(dǎo)讀

I?路易斯酸刻蝕方法的發(fā)展歷史

在過去的四年里使用路易斯酸刻蝕方法制備MXenes的文章數(shù)量在不斷增加，制備得到的MXenes和MXenes基復(fù)合材料的應(yīng)用主要集中在能量存儲和轉(zhuǎn)換、傳感器和微波吸收三個方面。

圖1.?a 路易斯酸刻蝕方法每年的發(fā)文量；b 路易斯酸刻蝕路線制備的MXenes與MXenes基復(fù)合材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用占比；c路易斯酸刻蝕方法的重大發(fā)展時間表。

II?路易斯酸刻蝕路線制備MXenes的機(jī)理

路易斯酸刻蝕法制備MXenes的機(jī)理基于高溫下路易斯酸熔融鹽中的金屬離子與MAX前驅(qū)體中A位原子的置換反應(yīng)，反應(yīng)難度主要取決于兩者的氧化還原電位值，而與MAX前驅(qū)體中M和X無關(guān)。

圖2.?a ZnCl?路易斯酸刻蝕制備Ti?C?Cl? MXene的示意圖；b Ti?AlC?和Ti?ZnC? MAX的XRD圖；c Ti?ZnC? MAX的HAADF-STEM圖像及相應(yīng)的能譜圖；d多層Ti?C?Cl? MXene的SEM圖像；e Ti?C?Cl?MXene和Ti?C?Cl?/Zn復(fù)合材料的XRD圖；f Ti?C?Cl?MXene的Cl 2p XPS譜圖；g ZnCl?路易斯酸刻蝕Ti?AlC? MAX的EDS能譜分析圖；h CuCl?刻蝕制備Ti?C?T? MXene的示意圖；i A位元素的氧化還原電位、路易斯酸熔融鹽的氧化還原電位和吉布斯自由能之間的關(guān)系示意圖；j空氣氣氛下一鍋法合成Ti?C?T? MXene的示意圖；k NaCl/ZnCl?混合物的相圖。

III?路易斯酸刻蝕路線制備的MXenes和MXenes基材料在鋅離子電池和鋰硫電池中的應(yīng)用

圖3.?a Zn/鹵化Ti?C? MXene電池工作機(jī)理示意圖；b Ti?C?I?正極在200 cm?1附近的原位拉曼光譜；c Ti?C?I?正極在ZnCl?+KCl電解液和ZnSO?電解液中的CV曲線；d SA-Zn-MXene的HAADF-STEM圖像；e吸附在SA-Zn-MXene和MXene上的Li?S?多硫化物的差分電荷密度圖；f S、S@MXene、S@SA-Zn-MXene電極的倍率性能圖；g N-MX-CoS?復(fù)合材料的制備過程示意圖；h MX-Co、MX-CoS?、N-MX-CoS?的吸附實(shí)驗(yàn)圖；i使用各種材料改性隔膜的鋰硫電池在0.2 C的恒流充放電曲線；j使用各種材料改性隔膜的鋰硫電池在1 C的長期循環(huán)性能圖。