二维纳米材料迎来新突破，将有望取代石墨烯

二维纳米材料迎来新突破，将有望取代石墨烯

（文章来源：iVacuum）

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。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。

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。

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。

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。

通常来说，建立一项技术和工艺需要很长时间，才能使纳米材料实现工业级的应用。这当中，不仅仅涉及到批量生产的问题，而且还需要发明、设计全新的设备和工艺，才能使材料成型，嵌入到微型芯片、手机元件等的生产过程当中。不过对MXenes来说，整合到生产线中倒是相当容易的。

这项工艺最令人兴奋的地方在于，如果扩大工业规模，根本不存在限制因素。大批量生产MAX相的公司正在越来越多，其中有很多是用存量丰富的前驱材料制备的。而且，二维材料鲜有可以通过常规反应工程装备和设计，用湿化学法大批量制备的，而MXenes则属于其中的少数派。

据悉，目前已有多家公司将目光聚焦于MXene材料的应用，其中就包括日本京都的电子元件公司Murata Manufacturing Co, Ltd.，该公司正在开发MXene技术，以应用于多种高科技产品中。