我国科学家突破二维材料制备技术瓶颈 绿色工艺开启MXene应用新纪元

(问题)MXene作为一种重要的二维过渡金属碳化物/氮化物材料,凭借优异的导电性、可调的层状结构和丰富的表面化学活性,二次电池、柔性电子器件、电磁屏蔽和催化等领域显示出应用潜力。然而,其实际应用仍面临制备工艺的瓶颈:如何实现更安全、经济、稳定的生产。目前主流的制备方法通常需要多步剥离和后处理过程,且依赖含氟或有毒化学试剂,不仅工艺复杂、成本高昂,还带来废液处理和安全生产的挑战。此外,传统方法制备的MXene表面带负电,限制了其在吸附、界面组装和复合材料构建等场景中的应用范围。 (原因)从制备机理来看,MXene的形成需要对前驱体中的特定元素层进行选择性刻蚀和剥离。该过程需要平衡刻蚀效率与片层完整性,同时控制表面基团和电荷状态,对溶剂体系、反应路径和分散稳定性都有严格要求。传统方法采用多步流程和强反应性试剂,虽然能同时实现刻蚀、插层、剥离和表面调控,但也导致流程冗长、能耗高且风险大。更重要的是,表面电荷和终端基团主要由反应介质决定,缺乏源头调控手段就难以兼顾高效制备和定向功能化。 (影响)天津大学杨全红教授团队提出了一种基于深共晶溶剂的制备新策略,可直接获得表面带正电的少层MXene。研究表明,这种新型MXene在吸附、储锂和催化等表现优异,同时简化了传统复杂的多步制备流程。深共晶溶剂具有原料易得、成本可控和环境友好等特点,使该方案在降低成本、减少污染和提高工艺可扩展性上具有综合优势。涉及的成果已于3月11日发表在《自然-合成》期刊上。 (对策)对工程化应用来说,稳定性和可放大性至关重要。该研究通过优化溶剂体系和反应路径,采用绿色介质和一步法制备工艺,在提高生产效率的同时实现了MXene表面电荷的精准调控。未来研究将重点推进工艺优化和标准化评价体系建设,包括溶剂循环利用、批次一致性控制、产品表征,以及与电极制备和器件集成的配套技术开发,这些都将直接影响该技术从中试到规模化生产的进程。 (前景)二维材料的产业化竞争正从单一性能转向"材料-工艺-应用"的系统能力。少层正电MXene的成功制备为电化学储能界面调控、选择性吸附和复合材料组装提供了新的材料选择。随着绿色制造要求的提高,以及我国在新型储能、电子信息和先进材料领域的持续投入,这种绿色高效的制备方法若能实现规模化生产,有望在二次电池、柔性电子和未来储能技术中发挥重要作用。杨全红教授表示,这项成果对推动二维材料的可持续制备和规模化应用至关重要。

基础材料的突破往往决定新技术的发展起点;以更环保、可控的方式制备性能可设计的二维材料——不仅是科研方法的进步——更关乎产业化的成本、安全和可持续性。持续创新关键材料制备工艺并建立标准体系,将为我国在储能和新型电子器件等战略领域的高质量发展奠定坚实基础。