技术■二维纳米材料新突破！有望取代石墨烯，批量化生产指日可待
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十多年来 ， 二维纳米材料（如石墨烯）一直备受追捧 ， 被认为是制作更优的微型芯片、电池、天线和许多其他设备元件的关键 。 但是 ， 这种厚度仅有原子级别的材料 ， 若要实现应用 ， 无疑面临着一项重大挑战：如何在不影响品质的情况下大量生产？
新的可能 现在 ， 这项挑战对于MXene（过渡金属碳/氮化合物）而言不再是问题 。 近日 ， 德雷克赛尔大学和乌克兰材料研究中心的科学家 ， 设计了一套系统 ， 可以大量制造MXene ， 同时还能保留材料的独特性能 。
MXene是近几年发现的一种类石墨烯二维材料 ， 具有超高体积比容量、金属级导电性、良好的亲水性 ， 以及丰富的表面化学 ， 因而在柔性储能电极材料中有广泛应用 。 已有相关研究证明 ， 使用了MXene材料的原型设备 ， 可以在储能、计算、通讯、医疗保健等方面加以应用 。
一批即可制出50克 证明某种材料能够精炼和批量制备 ， 是实现其产业化生产的关键一步 。
在这项新研究中 ， 科学家利用实验室规模的反应器系统 ， 将陶瓷前驱材料转变为一堆粉末状的黑色MXene碳化钛 ， 一次就能制出50克 。 这种材料正在向批量化制造迈进 ， 是其走向主流应用的关键所在 。
当然 ， 证明一种材料具有某种特性是一回事 ， 证明它可以克服批量生产中的挑战是另一回事 。 这项最新的研究 ， 则朝这个方向迈出了重要一步 。 这意味着 ， MXene有望在电子设备和储能设备中广泛应用 。
原理 自2011年首次合成MXene以来 ， 德雷克赛尔大学的研究人员就一直在研究该材料的制备问题 ， 不过产量却很少（通常不超过1克） 。 这种看起来就像是干燥粉末的层状纳米材料 ， 源自于一种MAX相陶瓷 。 当用氟氢酸和盐酸的混合液与MAX相发生反应时 ， 会腐蚀掉材料的某些部分 ， 从而呈现为MXene这种纳米级薄片状特征 。
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这项最新研究所使用的反应器系统 。 图/德雷克塞尔大学
在实验室中 ， 该过程是在60毫升的容器中进行的 ， 容器中即装有上述混合液体 。 但后来 ， 为了在更大的尺度上、更精确地控制这一过程 ， 研究小组使用了一个1升的反应室 ， 以及一个螺旋进料装置来精确地添加MAX相：一个进料口将物料均匀地加到反应室中 ， 另一个口则用于在反应期间释放气体压力 。 经过特别设计的搅拌叶片可以充分、均匀地搅拌物料 。 反应室外有冷却套管 ， 可以用来调节反应温度 。 整个过程由计算机程序控制 。
效果显著 研究小组报道说 ， 他们利用反应器在两天内（包括清洗、干燥样品所需的时间） ， 从50克MAX相前驱材料中 ， 制得了只比50克少一点点的MXene粉末 。 一系列测试发现 ， 与此前小规模制备的产品相比 ， 反应器中制备的MXene仍然保留了其形态、电化学和物理特性 。
这项研究证明 ， MXenes只需少量的二维材料就可以实现工业规模的生产 。 但是 ， 由于MXene是减材制造工艺（类似于刨木头 ， 将原材料的一部分给刨掉） ， 所以它与许多其他二维纳米材料的增材制造工艺不同 。
“大多数二维材料是用自上而下的方式制备的 ， ”德雷克赛尔大学纳米材料研究所博士后 Christopher Shuck解释说 ， “换句话说 ， 就是把原子逐个累加起来 ， 这些材料可以在特定的表面上生长 ， 或通过非常昂贵的设备将原子沉积 。 但是 ， 即便使用了昂贵的设备和催化剂 ， 每个生产批次也会相当费时 ， 产量很小 ， 而且 ， 如果要在电子设备中广泛使用 ， 这些材料仍然显得极其昂贵 。 ”
而MXenes则与它们不同 ， 得益于一系列物理特性 ， 从MAX相原材料到最终产品MXene的制备过程可以大大简化 。
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