科学家开发无氢氟酸MXene制备法，提升安全与实用性
7 月 6 日消息，维也纳工业大学（TU Wien）的科学家团队与 CEST 和 AC2T 合作，开发出一种更安全、更实用的方法来生产“奇迹材料”MXene。
据介绍，MXene 是一种主要由钛和碳构成的二维材料，由仅一个原子厚的层构成，正在被研究用于电池、传感器、电磁屏蔽以及固体润滑剂 —— 甚至在太空应用中。
▲ 图源：维也纳技术大学
“要生产 MXene，首先需要所谓的 MAX 相。这些材料可能由例如铝、钛和碳层组成”，维也纳工业大学工程设计及产品开发研究所的皮尔路易吉・比洛托（Pierluigi Bilotto）表示，“迄今为止，人们使用氢氟酸来蚀刻掉 MAX 相中的铝，这会产生一个原子级薄层系统，这些层可以以极小的阻力相互滑动。这使得这些 MXene 成为一种很好的润滑剂。”
然而，氢氟酸具有剧毒且处理危险。它还会产生难以处置的废物。“这就是为什么 MXene 尚未在工业上取得重大突破”，比洛托说，“在工业规模上建立这样一个过程很困难，许多公司因此望而却步，这是可以理解的。”
为了克服这个问题，该团队开发了一种不同的方法，利用电能和更安全的化学混合物 —— 具体来说是四氟硼酸钠和盐酸（NaBF₄/HCl）。他们不使用稳定的电流，而是使用短时电压脉冲（阴极脉冲）。这些脉冲会产生微小的氢气泡，使材料表面保持活性，从而帮助更有效且持续地去除铝层。
“电化学提供了一条替代途径来打破 MAX 相中的铝键，”比洛托解释道。“当施加电压时，MAX 相会产生电流，在其界面引发反应。通过精确选择电压，我们能够调整反应，使得只有铝原子被去除，留下电化学 MXene（EC-MXenes）作为产物。”
基于这种方法，该团队在单次过程中实现了高达 60% 的 EC-MXene 产出率，且没有产生不需要的副产品。
该材料使用多种化学分析工具进行了检查 —— 例如用于化学元素分布的 SEM / EDX（扫描电子显微镜 / 能谱仪），用于表面结构的 XPS（X 射线光电子能谱）和 LEIS（低能离子散射谱），以及用于尺寸、间距和其他物理特性的 AFM（原子力显微镜）、TEM（透射电子显微镜）、拉曼光谱（Raman）和 XRD（X 射线衍射）。
研究人员表示，脉冲电学方法不仅提高了产出率，而且通过在整个过程中保持表面清洁和反应活性，提高了材料的质量。“我的目标是使 MXene 的合成变得极其简单。应该在任何厨房里都能实现，”比洛托说。“我们离这个目标非常近了。”