科学家开发无氢氟酸 MXene 制备法,大幅提升安全性与实用性

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7 月 6 日消息,维也纳工业大学(TU Wien)的科学家团队与 CEST 和 AC2T 合作,开发出一种更安全、更实用的方法来生产“奇迹材料”MXene。

据介绍,MXene 是一种主要由钛和碳构成的二维材料,由仅一个原子厚的层构成,正在被研究用于电池、传感器、电磁屏蔽以及固体润滑剂 —— 甚至在太空应用中。

“要生产 MXene,首先需要所谓的 MAX 相。这些材料可能由例如铝、钛和碳层组成”,维也纳工业大学工程设计及产品开发研究所的皮尔路易吉・比洛托(Pierluigi Bilotto)表示,“迄今为止,人们使用氢氟酸来蚀刻掉 MAX 相中的铝,这会产生一个原子级薄层系统,这些层可以以极小的阻力相互滑动。这使得这些 MXene 成为一种很好的润滑剂。”

然而,氢氟酸具有剧毒且处理危险。它还会产生难以处置的废物。“这就是为什么 MXene 尚未在工业上取得重大突破”,比洛托说,“在工业规模上建立这样一个过程很困难,许多公司因此望而却步,这是可以理解的。”

为了克服这个问题,该团队开发了一种不同的方法,利用电能和更安全的化学混合物 —— 具体来说是四氟硼酸钠和盐酸(NaBF₄/HCl)。他们不使用稳定的电流,而是使用短时电压脉冲(阴极脉冲)。这些脉冲会产生微小的氢气泡,使材料表面保持活性,从而帮助更有效且持续地去除铝层。

“电化学提供了一条替代途径来打破 MAX 相中的铝键,”比洛托解释道。“当施加电压时,MAX 相会产生电流,在其界面引发反应。通过精确选择电压,我们能够调整反应,使得只有铝原子被去除,留下电化学 MXene(EC-MXenes)作为产物。”

基于这种方法,该团队在单次过程中实现了高达 60% 的 EC-MXene 产出率,且没有产生不需要的副产品。

该材料使用多种化学分析工具进行了检查 —— 例如用于化学元素分布的 SEM / EDX(扫描电子显微镜 / 能谱仪),用于表面结构的 XPS(X 射线光电子能谱)和 LEIS(低能离子散射谱),以及用于尺寸、间距和其他物理特性的 AFM(原子力显微镜)、TEM(透射电子显微镜)、拉曼光谱(Raman)和 XRD(X 射线衍射)。

研究人员表示,脉冲电学方法不仅提高了产出率,而且通过在整个过程中保持表面清洁和反应活性,提高了材料的质量。“我的目标是使 MXene 的合成变得极其简单。应该在任何厨房里都能实现,”比洛托说。“我们离这个目标非常近了。”

相关成果已经发表在著名期刊《Small》上,附论文地址:
https://doi.org/10.1002/smll.202500807