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科學》雜志：一種能夠合成數百種新型二維材料的方法

文章來源：賢集網更新時間：2024-03-19 15:35:12

二維材料非常薄，只有幾個原子厚，具有獨特的性質，使其在能量存儲、催化和水凈化等方面極具吸引力。瑞典林雪平大學研究人員開發出一種能夠合成數百種新型二維材料的方法。研究發表在最新一期的《科學》雜志上。

圖1. 計算篩選方法的示意圖。

自從石墨烯被發現以來，有關極薄材料（即所謂的二維材料）的研究呈指數級增長。二維材料相對于其體積或重量具有極大的表面積，因此產生了一系列物理現象和獨特的性能，例如良好的導電性、高強度或耐熱性，使得二維材料在基礎研究和應用中都受到關注。

最大的二維材料家族是MXene，由稱為MAX相的三維母體材料創建。它由3種不同的元素組成：M是過渡金屬，A是（A族）元素，X是碳或氮。通過用酸去除A元素（剝離），可創建二維材料。但到目前為止，MXene是唯一以這種方式創建的材料系列。

圖2. 層狀材料的剝離和溶劑化自由能比較。

研究人員引入了一種理論方法來預測其他可能適合轉換為二維材料的三維材料，并證明了理論模型與現實是一致的。

研究人員采用了3步過程。首先，他們開發了一個理論模型來預測哪些母材是合適的。通過瑞典國家超級計算機中心的大規模計算，研究人員從包含66643種材料的數據庫中識別出119種有前途的三維材料。

其次，他們嘗試在實驗室中制造這種材料。研究人員從母體材料YRu2Si2中去除了釔（Y），從而形成了二維的Ru2SixOy。

圖3. 化學剝落的初始階段，由空位形成自由能證明。

最后一步是進行實驗室驗證，他們使用掃描透射電子顯微鏡Arwen在原子水平上檢查材料及其結構。利用Arwen還可使用光譜法研究材料由哪些原子組成。

研究證明了理論模型確實有效，并且所得材料由正確的原子組成。該理論可付諸實踐，從而將化學剝離的概念擴展到比MXene更廣泛的材料中。

圖4. YRu2Si2在HF水溶液中的化學剝落。

自從石墨烯橫空出世，越來越多的二維材料家族成員進入人類視野。在電子元器件領域，很多二維材料憑借更高的電荷遷移率、更小的功耗等，展現出比傳統硅材料更加優越的性能。不僅如此，在燃料電池、太陽能電池等新能源領域，二維材料憑借其獨特結構和可調控特性，擁有廣闊應用前景?？茖W家發現能夠合成數百種新型二維材料的方法，將使二維材料家族進一步壯大，也為二維材料科學研究提供了更多可能。

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新方法制備高性能二維材料Mo2C MXene

MXene是一種新型二維材料，通常通過酸溶液刻蝕的方法制備。本文首次報道用堿溶液刻蝕的方法制備一種MXene：Mo2C MXene的報道。用這種方法制備的Mo2C MXene具有良好的電化學性能，明顯優于常規酸溶液刻蝕制備的樣品。該成果由河南理工大學周愛國教授團隊完成，博士研究生郭奕彤為本文第一作者。

MXenes是一類新型二維材料，具有良好的電化學儲能、吸波、催化性能。MXene通過在酸溶液(氫氟酸、鹽酸等)中刻蝕MAX相陶瓷而制備。這種方法制備的MXene表面會吸附酸根陰離子（F-，Cl-等），影響材料的性能。為了避免酸根離子的影響，可以用堿溶液刻蝕。但是堿溶液刻蝕MAX相陶瓷的能力比較弱。為了提升堿溶液的刻蝕能力，需要提高反應溫度。然而，MXene的熱穩定性很差，高溫容易導致MXene的氧化。

Mo2C MXene是一種新型的MXenes。相比于常見的Ti3C2MXene,Mo2C MXene具有更好的熱穩定性。因此可能在較高的反應溫度，通過較弱的刻蝕溶液，制備不被氧化的Mo2C MXene。本文探索在堿溶液中，通過水熱刻蝕的方法，制備Mo2C MXene的刻蝕過程。發現了堿溶液刻蝕制備高性能Mo2C MXene的方法。明晰堿溶液的種類、刻蝕溫度、刻蝕時間對制備過程的影響。分析制備樣品的表面吸附離子，測試制備樣品作為鋰離子電池負極的性能，并且常規酸溶液刻蝕樣品進行對比。

本文首次報道了堿溶液刻蝕制備Mo2C MXene。相比于LiOH和KOH，NaOH溶液是適合的堿刻蝕溶液。具體工藝參數：NaOH溶液濃度為20 M，反應溫度為180℃，反應時間為24 h。與常規氫氟酸(HF)刻蝕法相比，在NaOH溶液中制備的Mo2C MXene作為鋰離子電池的負極材料，具有更好的電化學性能。在電流密度為0.8 A·g-1下，FL-Mo2C-Na的最終放電比容量為266.73 mAh·g-1，比FL-Mo2C-HF的175.77 mAh·g-1提高了52%。

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