【儀表網 研發快訊】二維過渡金屬碳化物和氮化物(MXenes)因其獨特的層狀結構和優異的物理化學性能，在能源存儲、催化和傳感等領域展現出巨大的應用潛力。MXene可以通過氫氟酸刻蝕MAX陶瓷來制備，然而傳統的合成方法面臨諸多挑戰(如刻蝕選擇性有限、結構控制精度不足、制備周期長，且需依賴強酸或強堿等苛刻環境，等)，這嚴重制約了MXene的大規模生產和應用開發。因此，高效、安全、環境友好的大規模可控合成是實現MXenes新材料潛能的關鍵所在。
 

　　近日，中國科學技術大學團隊基于理論篩選，提出了一種鹵素離子介導的水熱合成新方法，通過鹵化銨(如氟化銨)水熱刻蝕策略高通量合成了多種MXene。同時，利用鹵化銨與有機小分子插層劑的協同作用，通過原位水熱途徑實現了多種MXene異質結衍生物的高效可控制備。相關研究成果以“Halogen Ion-Mediated Hydrothermal Synthesis of Diverse MXenes with Tailored Heterostructures”為題，6月25日發表于國際學術期刊《Advanced Materials》。
 

圖1：鹵化銨水熱刻蝕策略高通量合成MXenes示意圖
 

圖2：插層劑輔助的鹵化銨水熱策略高通量合成MXenes異質結示意圖
 

　　研究團隊首先通過理論計算，揭示了鹵素離子刻蝕機理及氟化銨分子在刻蝕反應熱力學和動力學上的優越性。基于模擬數據指導，首次提出了氟化銨水熱刻蝕新策略，并在220°C條件下 6小時完成了10克Mo?Ga?C前驅體的刻蝕，實現了單批次產量超過5克的碳化鉬MXene的可控制備。
 

　　此外，團隊將該方法擴展到多種MXene異質結的合成，例如通過結合鹵素離子(如溴化銨)與有機小分子插層劑(如二甲基亞砜)，在200°C下36小時內成功制備出碳化鉬@二硫化鉬異質結構。測試結果表明，該異質結構在鋰電池負極中卓越性能(0.1 A g?¹電流密度下初始放電比容量高達1558.6 mAh g?¹，300次循環后，其可逆比容量穩定在465.5 mAh g?¹)。
 

　　研究團隊運用同步輻射多技術聯用方法對材料結構進行了深入分析。共振軟X射線散射證實了Mo?Ga?C前驅體的碳層間分布和納米尺度均勻性；X射線吸收精細結構譜發現刻蝕后碳化鉬中鉬價態升高，碳化鉬@二硫化鉬異質結構具有更高的配位數和更優的結晶度；同步輻射原位X射線衍射分析證明碳化鉬@二硫化鉬異質結構在鋰電池充放電過程中層狀結構高度穩定，驗證了鋰離子嵌入/脫嵌機制。這些技術協同解析了原子級結構變化、動態過程響應和批量生產一致性，為MXene材料設計與應用奠定基礎。
 

　　論文的第一作者是中國科學技術大學博士研究生許翰宸，王昌達副研究員和宋禮教授為通訊作者。
 

　　上述研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院先導專項、中國科大基礎前沿團隊等項目的資助。