【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二維過渡金屬碳/氮化物(MXenes)，尤其是少層納米片結(jié)構(gòu)的MXenes，因其優(yōu)異的電導(dǎo)率、豐富的活性表面和可調(diào)節(jié)的加工性，已成為前沿材料研究的熱點。基于前期中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所提出的路易斯酸熔鹽刻蝕法，可制備表面端基為-Cl、-Br、-I、-S、-Se或-Te的MXenes，實現(xiàn)對材料表面化學(xué)性質(zhì)與本征物性的精準(zhǔn)調(diào)控。然而，目前還缺乏有效的剝離手段將路易斯酸熔鹽刻蝕得到的多層MXenes轉(zhuǎn)變?yōu)樯賹踊蛘邌螌覯Xenes，限制了其進一步的功能應(yīng)用。
 

　　近日，寧波材料所梁坤研究員帶領(lǐng)團隊聯(lián)合中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所朱來攀研究員、西華大學(xué)余黎靜教授提出了一種高效電化學(xué)剝離新策略。該方法通過精確調(diào)控電解液中鋰離子的溶劑化環(huán)境，利用電化學(xué)過程將Li(PC)n+插層到路易斯酸熔鹽刻蝕得到的多層MXenes的層間，并通過電化學(xué)電位調(diào)控，使溶劑化離子原位分解，產(chǎn)生氣態(tài)丙烯分子。該氣態(tài)分子作為 “物理剪刀” 可有效削弱鹵素端基MXenes層間強作用力，從而高效剝離出-Cl/-Br端基少層MXenes。在優(yōu)化截止電壓條件下，該工藝產(chǎn)率高達93%，剝離過程溫和且可完整保留納米片的表面化學(xué)特性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，所得少層MXenes用作摩擦伏特納米發(fā)電機(TVNG)潤滑劑時，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能提升，尤其是Ti3C2Br2能顯著增加輸出電信號。該電化學(xué)剝離策略不僅加深了對MXenes本征物性的理解，也為其他二維層狀材料的納米工程化設(shè)計與功能拓展提供了新思路(圖1)。
 

　　本工作提出的氣態(tài)分子型“物理剪刀”輔助的電化學(xué)剝離策略溫和的剝離過程不僅保證了MXenes晶體結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)的穩(wěn)定性，還最大限度地提升了少層MXenes納米片的產(chǎn)率(圖2)，有利于少層MXenes的表面化學(xué)和物性調(diào)控。
 

　　通過原位X射線衍射、原位電化學(xué)差分質(zhì)譜、準(zhǔn)原位紅外光譜及掃描電鏡的聯(lián)合表征，研究團隊揭示了MXenes在電化學(xué)剝離過程中的“插層-膨脹-分層”的三階段機制，有望為強層間結(jié)合力二維材料的高效剝離提供通用化技術(shù)范式。得益于溫和剝離工藝，所制備的高產(chǎn)率少層MXenes納米片在功函數(shù)、電導(dǎo)率、表面潤濕性及光透過率等關(guān)鍵物理性能上均實現(xiàn)了高度可調(diào)。以少層鹵素端基MXenes作為界面潤滑劑，其較高的接觸角有效增強了固液界面摩擦帶電效應(yīng)，顯著提升了摩擦伏特納米發(fā)電機(TVNG)的電輸出信號與循環(huán)壽命(圖3)。研究團隊還發(fā)現(xiàn)氣態(tài)分子型“物理剪刀”輔助的電化學(xué)剝離策略同樣適用于多種范德華層狀材料的剝離，并成功實現(xiàn)了TiS2、TaS2及CrSe2等過渡金屬硫化物的高效剝離，充分體現(xiàn)出該剝離技術(shù)的通用性和廣泛應(yīng)用潛力。
 

　　相關(guān)成果以“Gaseous molecules-mediated electrochemical exfoliation of halogenated MXenes and its boosting in wear-resisting tribovoltaic devices”為題發(fā)表于Nature Communications期刊。寧波材料所博士生范琪、碩士生陳明華，北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生李龍一為論文第一作者，寧波材料所梁坤研究員、北京納米能源與系統(tǒng)研究所朱來攀研究員、西華大學(xué)余黎靜教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金(U23A2093)、浙江省“高層次人才特殊支持計劃”杰出人才項目(2022R51007)等的資助。
 

　　圖1 氣體分子輔助鹵素端基MXenes的高效電化學(xué)剝離及其在耐磨損摩擦伏特器件中的增強作用示意圖
 

　　圖2 (a-j)少層鹵素端基MXenes納米片的結(jié)構(gòu)與形貌表征；(k-l)電化學(xué)剝離裝置；(m)獲得的高產(chǎn)率少層MXenes分散液
 

圖3 不同端基MXenes潤滑劑對摩擦伏特納米發(fā)電機輸出性能的影響