【材料】华侨大学陈爱政教授课题组Small：基于超临界二氧化碳的三元溶液辅助合成无氟MXene的研究- 大数跨境

【材料】华侨大学陈爱政教授课题组Small：基于超临界二氧化碳的三元溶液辅助合成无氟MXene的研究

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2023-09-25

导读：近日，华侨大学陈爱政教授团队提出了一种基于超临界二氧化碳的三元溶液（scCO2/DMSO/HCl），用于制备无氟Ti3C2Tx结构（S-Ti3C2Tx MXene）。

MXenes是一种新兴的二维材料，由于其独特的物理化学性质而受到了极大的关注。MXenes通常是由危险的含氟试剂刻蚀MAX材料合成的，然而，现有的刻蚀条件会导致MXenes表面存在大量惰性氟官能团，使其性能显著下降。这极大地影响它们的物理和化学性质，并阻碍其潜在的更广泛应用。

近日，华侨大学陈爱政教授团队提出了一种基于超临界二氧化碳的三元溶液（scCO₂/DMSO/HCl），用于制备无氟Ti₃C₂T_x结构（S-Ti₃C₂T_x MXene）。具体而言，由于scCO₂独特的物理化学性质，使得制备体系中形成均匀，高渗透性的三元溶液，局部浓度增加的HCl与材料层间的铝反应，断开钛-铝金属键；scCO₂和DMSO继续渗透材料层间，推进反应进行（图1）。

图1. 无氟Ti₃C₂T_x MXene的合成示意图：scCO₂三元溶液对MAX-Ti₃AlC₂进行酸蚀，以获得无氟Ti₃C₂T_x。

这是一个绿色温和的工艺，可以成功在盐酸浓度为0.5 M，压力为15-25 MPa，温度为32 °C-60 °C范围下制备出无氟碳化钛。经过简单的超声，离心纯化操作，可以得到纯度较高（89 wt%）、直径为1微米左右的大尺寸二维S-Ti₃C₂T_x片（图2）。

图2. 二维S-Ti₃C₂T_x片的制备过程和形貌表征。（a）S-Ti₃C₂T_x片的合成示意图；（b）少层S-Ti₃C₂T_x（≤10 层）的TEM图像；（c）-（d）单层 S-Ti₃C₂T_x片的TEM图像；（e）原子力显微镜图像以及（f）相应的高度剖面图；（g）S-Ti₃C₂T_x薄片的XRD图。

在超级电容器电极的应用中，S-Ti₃C₂T_x电极在2 mV/s的条件下可提供320 F/g的质量比电容，超过了已报道的含氟Ti₃C₂T_x（即 F-Ti₃C₂T_x，50-290 F/g）。经10000次循环后，电容保持率约为96.72%，库仑效率在所有循环中均高于96%（图3）。

图3. S-Ti₃C₂T_x薄膜电极的超级电容器性能。（a）S-Ti₃C₂T_x电极在扫描速率为 2-100 mV/s 时的循环伏安曲线；（b）电流密度为1-20 A/g时S-Ti₃C₂T_x电极的静电充放电曲线；（c）根据Ti₃C₂T_x电极的循环伏安曲线计算出的重量比电容与扫描速率的函数关系；（d） S-Ti₃C₂T_x电极在5 A/g电流密度下的循环行为。

此外，使用真空抽滤方法制备出的S-Ti₃C₂T_x薄膜还具有出色的电磁屏蔽性能，在厚度仅为2.5 μm的情况下，导电率高达4918.63 S/cm，总电磁干扰屏蔽效率为 53.12 分贝（图4）。

图4. S-Ti₃C₂T_x薄膜的形态和电磁干扰屏蔽性能。（a）S-Ti₃C₂T_x的截面扫描电镜图像，插图为S-Ti₃C₂T_x 薄膜（2.5 μm）的光学图像；（b）S-Ti₃C₂T_x薄膜的表面SEM 图像；（c） S-Ti₃C₂T_x和F-Ti₃C₂T_x薄膜的电磁屏蔽效率；（d）8.2 GHz时S-Ti₃C₂T_x和F-Ti₃C₂T_x薄膜的电磁屏蔽性能（SE_T、SE_A和SE_R）以及垂直方向的导电率；（e） S-Ti₃C₂T_x和F-Ti₃C₂T_x薄膜的吸收/反射屏蔽性能比和电磁波吸收效率；（f）不同材料的总电磁干扰屏蔽效率与厚度的关系。

综上所述，该研究证明了超临界辅助酸蚀技术可以成功制备出无氟的Ti₃C₂T_x MXene结构，该发现为制备无氟MXenes提供了一种新的绿色方法，并为进一步提高MXenes材料的性能提供了新的视角。

这一成果近期发表于Small，华侨大学化学工程与技术专业博士研究生刘昊为该文章的第一作者，导师陈爱政教授为通讯作者，陈标奇博士为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金（81971734、32071323 和32271410）及福建省科技创新团队项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Fluoride-Free Synthesis of 2D Titanium Carbide (MXenes) Assisted by scCO₂-Based Ternary Solution

Hao Liu, Biao-Qi Chen, Chang-Yong Li, Cun-Jiong Fang, Ranjith Kumar Kankala, Shi-Bin Wang, Ai-Zheng Chen

Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202305321

陈爱政教授简介

通讯作者

陈爱政，华侨大学生物材料与组织工程研究所所长，教授、博士生导师，入选国家百千万人才工程、被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，入选福建省A类高层次人才。目前担任中国生物材料学会理事、中国生物材料学会生物复合材料分会秘书长、生物医用材料闽台科技合作基地负责人、福建省生物材料科技创新团队带头人、福建省生物材料化工博士生导师团队带头人。主持国家自然科学基金海峡联合重点项目、国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项等国家级课题9项，主要从事超临界流体技术及生物材料与组织工程领域的研究，以通讯作者在AM, AFM, Adv Sci, Small, JCR, CEJ, AHM, BAM, Biomaterials等期刊发表SCI收录论文150余篇。

课题组主页：

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