十多年來，二維納米材料(如石墨烯)一直備受追捧，被認(rèn)為是制作更優(yōu)的微型芯片、電池、天線和許多其他設(shè)備元件的關(guān)鍵。但是，這種厚度僅有原子級別的材料，若要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，無疑面臨著一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)：如何在不影響品質(zhì)的情況下大量生產(chǎn)?

新的可能

現(xiàn)在，這項(xiàng)挑戰(zhàn)對于MXene(過渡金屬碳/氮化合物)而言不再是問題。近日，德雷克賽爾大學(xué)和烏克蘭材料研究中心的科學(xué)家，設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)，可以大量制造MXene，同時還能保留材料的獨(dú)特性能。

MXene是近幾年發(fā)現(xiàn)的一種類石墨烯二維材料，具有超高體積比容量、金屬級導(dǎo)電性、良好的親水性，以及豐富的表面化學(xué)，因而在柔性儲能電極材料中有廣泛應(yīng)用。已有相關(guān)研究證明，使用了MXene材料的原型設(shè)備，可以在儲能、計(jì)算、通訊、醫(yī)療保健等方面加以應(yīng)用。

一批即可制出50克

證明某種材料能夠精煉和批量制備，是實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。

在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家利用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器系統(tǒng)，將陶瓷前驅(qū)材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢逊勰畹暮谏玀Xene碳化鈦，一次就能制出50克。這種材料正在向批量化制造邁進(jìn)，是其走向主流應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

當(dāng)然，證明一種材料具有某種特性是一回事，證明它可以克服批量生產(chǎn)中的挑戰(zhàn)是另一回事。這項(xiàng)最新的研究，則朝這個方向邁出了重要一步。這意味著，MXene有望在電子設(shè)備和儲能設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

原理

自2011年首次合成MXene以來，德雷克賽爾大學(xué)的研究人員就一直在研究該材料的制備問題，不過產(chǎn)量卻很少(通常不超過1克)。這種看起來就像是干燥粉末的層狀納米材料，源自于一種MAX相陶瓷。當(dāng)用氟氫酸和鹽酸的混合液與MAX相發(fā)生反應(yīng)時，會腐蝕掉材料的某些部分，從而呈現(xiàn)為MXene這種納米級薄片狀特征。

在實(shí)驗(yàn)室中，該過程是在60毫升的容器中進(jìn)行的，容器中即裝有上述混合液體。但后來，為了在更大的尺度上、更精確地控制這一過程，研究小組使用了一個1升的反應(yīng)室，以及一個螺旋進(jìn)料裝置來精確地添加MAX相：一個進(jìn)料口將物料均勻地加到反應(yīng)室中，另一個口則用于在反應(yīng)期間釋放氣體壓力。經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的攪拌葉片可以充分、均勻地?cái)嚢栉锪稀７磻?yīng)室外有冷卻套管，可以用來調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度。整個過程由計(jì)算機(jī)程序控制。

效果顯著

研究小組報(bào)道說，他們利用反應(yīng)器在兩天內(nèi)(包括清洗、干燥樣品所需的時間)，從50克MAX相前驅(qū)材料中，制得了只比50克少一點(diǎn)點(diǎn)的MXene粉末。一系列測試發(fā)現(xiàn)，與此前小規(guī)模制備的產(chǎn)品相比，反應(yīng)器中制備的MXene仍然保留了其形態(tài)、電化學(xué)和物理特性。

這項(xiàng)研究證明，MXenes只需少量的二維材料就可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。但是，由于MXene是減材制造工藝(類似于刨木頭，將原材料的一部分給刨掉)，所以它與許多其他二維納米材料的增材制造工藝不同。

“大多數(shù)二維材料是用自上而下的方式制備的，”德雷克賽爾大學(xué)納米材料研究所博士后 Christopher Shuck解釋說，“換句話說，就是把原子逐個累加起來，這些材料可以在特定的表面上生長，或通過非常昂貴的設(shè)備將原子沉積。但是，即便使用了昂貴的設(shè)備和催化劑，每個生產(chǎn)批次也會相當(dāng)費(fèi)時，產(chǎn)量很小，而且，如果要在電子設(shè)備中廣泛使用，這些材料仍然顯得極其昂貴?！?

而MXenes則與它們不同，得益于一系列物理特性，從MAX相原材料到最終產(chǎn)品MXene的制備過程可以大大簡化。

MXenes：二維材料中的少數(shù)派

通常來說，建立一項(xiàng)技術(shù)和工藝需要很長時間，才能使納米材料實(shí)現(xiàn)工業(yè)級的應(yīng)用。這當(dāng)中，不僅僅涉及到批量生產(chǎn)的問題，而且還需要發(fā)明、設(shè)計(jì)全新的設(shè)備和工藝，才能使材料成型，嵌入到微型芯片、手機(jī)元件等的生產(chǎn)過程當(dāng)中。不過對MXenes來說，整合到生產(chǎn)線中倒是相當(dāng)容易的。

值得一提的是，MXenes在合成后，能以粉末狀態(tài)加以利用，或是加入水中，形成穩(wěn)定的膠體溶液。這無疑是其有利之處。畢竟，水是最便宜、最安全的溶劑。通過這項(xiàng)開發(fā)的新工藝，只需一個批量的MXenes材料，就可以壓印或印刷成千上萬的小型設(shè)備或超薄設(shè)備，例如超級電容或RFID標(biāo)簽。

這項(xiàng)工藝最令人興奮的地方在于，如果擴(kuò)大工業(yè)規(guī)模，根本不存在限制因素。大批量生產(chǎn)MAX相的公司正在越來越多，其中有很多是用存量豐富的前驅(qū)材料制備的。而且，二維材料鮮有可以通過常規(guī)反應(yīng)工程裝備和設(shè)計(jì)，用濕化學(xué)法大批量制備的，而MXenes則屬于其中的少數(shù)派。

據(jù)悉，目前已有多家公司將目光聚焦于MXene材料的應(yīng)用，其中就包括日本京都的電子元件公司Murata Manufacturing Co, Ltd.，該公司正在開發(fā)MXene技術(shù)，以應(yīng)用于多種高科技產(chǎn)品中。