自 2011 年第一个 Ti3C2Tx MXene 面世以来，已经有数十个 MXenes 陆续被造出，目前还有十多个已经通过理论预测的 MXenes 尚待开发。

据维基百科介绍，“MXene 是一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。”

【资料图】

除了种类丰富之外，其它二维材料相比，MXenes 在力学性、导电性、浸润性等多个方面都表现不俗，这让其已被用于多个领域。甚至，它已被用于电化学能源存储领域，包括电容器、锂离子电池、钠离子电池等。

MXenes 尤其是 Ti3C2Tx MXene，之所以能在能源领域广泛应用，主要归功于以下几个方面：

其一，在电导率方面：在目前所有使用溶液法制备的纳米材料中，Ti3C2Tx MXene 薄膜是导电率最高的材料，这让它能有效加速电化学活性位点的电子传导，从而完美地用于电磁屏蔽和无线电中。

其二，Ti3C2Tx MXene 的二维结构特性，使得多种单价或多价阳离子比如 Li+、K+和 Al3+，可以实现层间插层并能占据电化学活性位点，从而实现快速的嵌入/脱嵌以及传输，并且不会破坏其结构。

其三，在无需粘结剂的情况下，Ti3C2Tx MXene 胶体溶液可以很容易地组装成柔性三维自支撑膜。

其四，Ti3C2Tx MXene 具有丰富的表面官能团。其中，=O 官能团使得 MXene 具备氧化还原活性，故能实现更高的容量；-OH 等官能团 MXene 呈现出较好的亲水性。

可以说与石墨烯相比，MXene 完美结合了氧化石墨烯和石墨烯的优势。在力学性能上，单层 Ti3C2Tx MXene 具有高达 326±29 N m-1 的二维弹性模量，330±30 GPa 的杨氏模量，这一特性使得 Ti3C2Tx MXene 在强度上成为仅次于无缺陷态石墨烯和氮化硼的二维材料。

目前，学界已经报道了多种合成 MXenes 的方法，比如氢氟酸腐蚀法、熔盐腐蚀法、电化学化学腐蚀法等，每种方法都有着独特的优势。

除了酸性条件的刻蚀剂外，碱性溶液也可以作为刻蚀剂。铝可以在碱性条件下被溶解，且能拥有更好的电容性能。

但是，绿色、大规模地制备无氟 MXenes 仍然是一个难题。基于此，山东大学课题组设计出一种熔盐辅助的真空蒸馏法，可被用于合成无氟的 MXenes。

图 | 冯金奎（来源：）

研究伊始，他们是想采用无氟的方法制备出 MXenes。一开始，氯化锌存在容易吸水的问题，这造成了难以混合均匀的局面。

研究前期，他们通过两步法加酸洗过程制备出了 MXenes。虽然这一过程可以避免氟的存在，但是酸洗过程不仅会引入 OH-等官能团，而且存在一定的毒性。

随着研究的进行，他们也在思考：是否可以通过一步法、无酸洗的过程，制备出无氟的 MXenes。为此，该团队设计了熔盐辅助的真空蒸馏法，采用一步法的方式造出了无氟 MXenes。

日前，相关论文以《用于钠离子电池的二维 MXenes 可扩展制造的无氟无酸策略》（）为题发在 Nano Letters上 [1]，Yongling An 是第一作者，担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nano Letters）

在使用真空蒸馏法时，整个过程是绿色、可控的，这对于促进 MXenes 在不同领域中的应用具有重要意义。此外，通过控制温度还能够调控 MXenes 的二维结构，以便满足不同领域的需求。

相比其他材料，二维 MXenes 具有独特的物理化学性能。采用真空蒸馏法制备的 MXenes 具有可控的二维结构，不仅价格低廉，而且更容易实现规模化生产。在储能、催化、吸附、传感器、电磁屏蔽等领域，均具备一定的应用潜力。

（来源：Nano Letters）

另据悉，虽然采取真空蒸馏法可以一步法地制备无氟 MXenes，但是合成温度依旧较高。如能在低温甚至室温条件下合成 MXenes，对于促进 MXenes 的大规模应用具有重要意义，而这也将是该团队的下一个研究课题。

此外，新能源汽车的兴起也给课题组带来了新机遇。这让更多社会力量和资金开始关注 MXene 领域，进而促进了产学研的结合。“最近，我们组有三个关于固高安全性电解质的专利成果已经获得转化。同时，这股热潮也激发了实验室同学的科研兴趣。”说。

参考资料：

1.An, Y., Tian, Y., Man, Q., Shen, H., Liu, C., Xiong, S., & Feng, J. (2023). Fluorine-and Acid-Free Strategy toward Scalable Fabrication of Two-Dimensional MXenes for Sodium-Ion Batteries.Nano Letters.

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