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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


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


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。


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。


MXenes:二维材料中的少数派


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。


值得一提的是,MXenes在合成后,能以粉末状态加以利用,或是加入水中,形成稳定的胶体溶液。这无疑是其有利之处。毕竟,水是最便宜、最安全的溶剂。通过这项开发的新工艺,只需一个批量的MXenes材料,就可以压印或印刷成千上万的小型设备或超薄设备,例如超级电容或RFID标签。


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。



研究成果已发表于Advanced Engineering Materials杂志。


论文链接——DOI:10.1002 / adem.201901241


本文转自:iMaterials材料学人公众号

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