【儀表網 研發快訊】二維過渡金屬碳/氮化物(MXenes)，尤其是少層納米片結構的MXenes，因其優異的電導率、豐富的活性表面和可調節的加工性，已成為前沿材料研究的熱點。基于前期中國科學院寧波材料技術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，實現對材料表面化學性質與本征物性的精準調控。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轉變為少層或者單層MXenes，限制了其進一步的功能應用。
近日，寧波材料所梁坤研究員帶領團隊聯合中國科學院北京納米能源與系統研究所朱來攀研究員、西華大學余黎靜教授提出了一種高效電化學剝離新策略。該方法通過精確調控電解液中鋰離子的溶劑化環境，利用電化學過程將Li(PC)n+插層到路易斯酸熔鹽刻蝕得到的多層MXenes的層間，并通過電化學電位調控，使溶劑化離子原位分解，產生氣態丙烯分子。該氣態分子作為 “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。在優化截止電壓條件下，該工藝產率高達93%，剝離過程溫和且可完整保留納米片的表面化學特性。進一步研究發現，所得少層MXenes用作摩擦伏特納米發電機(TVNG)潤滑劑時，表現出優異的性能提升，尤其是Ti3C2Br2能顯著增加輸出電信號。該電化學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計與功能拓展提供了新思路(圖1)。
本工作提出的氣態分子型“物理剪刀”輔助的電化學剝離策略溫和的剝離過程不僅保證了MXenes晶體結構和表面化學的穩定性，還最大限度地提升了少層MXenes納米片的產率(圖2)，有利于少層MXenes的表面化學和物性調控。
通過原位X射線衍射、原位電化學差分質譜、準原位紅外光譜及掃描電鏡的聯合表征，研究團隊揭示了MXenes在電化學剝離過程中的“插層-膨脹-分層”的三階段機制，有望為強層間結合力二維材料的高效剝離提供通用化技術范式。得益于溫和剝離工藝，所制備的高產率少層MXenes納米片在功函數、電導率、表面潤濕性及光透過率等關鍵物理性能上均實現了高度可調。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，顯著提升了摩擦伏特納米發電機(TVNG)的電輸出信號與循環壽命(圖3)。研究團隊還發現氣態分子型“物理剪刀”輔助的電化學剝離策略同樣適用于多種范德華層狀材料的剝離，并成功實現了TiS2、TaS2及CrSe2等過渡金屬硫化物的高效剝離，充分體現出該剝離技術的通用性和廣泛應用潛力。
相關成果以“Gaseous molecules-mediated electrochemical exfoliation of halogenated MXenes and its boosting in wear-resisting tribovoltaic devices”為題發表于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研究所朱來攀研究員、西華大學余黎靜教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金(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納米片的結構與形貌表征；(k-l)電化學剝離裝置；(m)獲得的高產率少層MXenes分散液
圖3 不同端基MXenes潤滑劑對摩擦伏特納米發電機輸出性能的影響
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