Yury Gogotsi教授等Matter：MXene薄膜产业化！

单层石墨烯的发现开创了二维材料的新纪元，其特点是具有大的横向尺寸和有限的厚度。其中最引人注目的是二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，它们通常被称为MXenes。它们的通式是M_n+1X_nT_x，其中M代表早期过渡金属，X表示碳和/或氮化物，Tx表示端接基团。自2011年首次利用典型MAX相（Ti₃AlC₂）刻蚀Al层制备Ti₃C₂T_x以来，MXenes在合成方法、性能认识和应用探索等方面取得了爆炸性研究进展。到目前为止，已经合成了30多种MXenes，更多的理论预测结构将很快进一步扩展MXene家族。近年来，MXenes的内在物理化学性质得到了广泛的研究，揭示了MXenes具有金属导电性、机械强度高、表面化学性质多样、电化学活性高等优点。

从应用的角度来看，薄膜是最常见的二维材料组装产物，可以被裁剪成各种形状和大规模制备。MXene薄膜具有卓越的柔韧性和优异的机械强度。电化学储能，包括超级电容器和可充电电池，是MXene薄膜的第一个应用，并且仍然处于领先地位。除了储能之外，MXene薄膜的一个新的应用方向，即电磁干扰（EMI）屏蔽。由于导电性好（>15000 S cm^-1）、多个二维通道的电磁反射，厚度小于1 mm的Ti₃C₂T_x薄膜显示出50dB的创纪录高屏蔽效能，显著超过其他材料。此外，MXene薄膜的更多应用已在进行中，如气体分离、水净化和渗透功率发生器。这些未发现的MXene薄膜应用可能性为MXene产品的最终商业化带来希望。显然，MXene薄膜的低成本、高效率和可扩展性生产在缩小实验室原型演示与雄心勃勃的工业应用之间的差距方面发挥着不可替代的作用，尽管这仍然是一个巨大的挑战。

纽约大学Andre´D. Taylor教授和德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授合作开发了一种直接的滴涂法来制备大面积、自支撑的Ti₃C₂T_x薄膜，相关研究成果以“Scalable, Highly Conductive, and Micropatternable MXene Films for Enhanced Electromagnetic Interference Shielding”为题发表在新的一期Matter上。德累斯顿工业大学冯新亮教授在同期杂志上发表Preview文章，阐述其对该研究的观点。Ti₃C₂T_x纳米片的端接官能团赋予其表面亲水性。因此，作者使用高疏水性的基底表面，使得Ti₃C₂T_x片之间的相互作用比薄片-基底的相互作用更强，并且薄膜容易分层。在本研究中，将Ti₃C₂T_x水分散体浇铸在疏水性聚苯乙烯基材上并干燥以蒸发水分。干燥后，自支撑的Ti₃C₂T_x薄膜可以很容易地剥落。与传统的真空辅助过滤方法相比，该方法在时间效率、操作简便性和表面光滑度方面具有许多优点。更重要的是，通过调整分散体积、分散浓度和衬底面积，可以精确地控制Ti₃C₂T_x的薄膜结构（包括横向尺寸和厚度）。例如，图1A所示为大面积薄膜（126.5 cm²），可调薄膜厚度范围为2.3至23.2 μm。

该研究报道的滴涂法的优点还在于它可以利用预图案基板，在薄膜表面调制微米级的三维（3D）图案。以逆反射封装基板为例，扫描电子显微镜（SEM）图像显示所获得的3D图案化Ti₃C₂T_x薄膜具有有序波动的清晰表面（图1B）。这种结构对于EMI屏蔽特别有利，因为它通过增加薄膜表面来增加电磁波吸收（图1C）。结合高导电率（7000 S cm^-1），三维图形Ti₃C₂T_x薄膜的电磁干扰屏蔽效率显著（44800 db cm² g^-1），明显超过了平整Ti₃C₂T_x薄膜（35300db cm² g^-1）。这种方法可以推广到任何疏水性基底上，为MXene薄膜的表面结构设计提供了多样性可能。                           

图1用于电磁干扰屏蔽的大尺寸MXene薄膜。（A）大尺寸Ti₃C₂T_x膜照片；（B）SEM图；（C）电磁干扰屏蔽机理。

总的来说，这项研究说明了亲水性Ti₃C₂T_x纳米片是如何在疏水性基底的帮助下，制造成自支撑的薄膜。整个制备过程只需要Ti₃C₂T_x水分散液和疏水性基底，而不需要任何复杂和耗能的仪器。概念验证标志着Ti₃C₂T_x膜朝着大规模生产迈出了重要的一步，这为加速MXene产品的商业化打开了一个光明的舞台。该合成路线也可应用于其它亲水性二维材料（如Ti₃C₂T_x以外的MXenes、氧化石墨烯）。一般来说，二维材料的亲水性可以通过表面官能团来调节。在这方面，所报告的滴涂方法有可能扩展到基于几乎任何2D材料的自支撑膜的制备。此外，微图案化的简易制造为自支撑膜提供了附加值，以适应某些特定应用（如EMI屏蔽）。这项工作必将引发MXene薄膜从实验室规模研究向大规模产业化的应用转变。

尽管用于电磁干扰屏蔽的MXene薄膜在可扩展制造方面取得了突破，但仍需做出诸多努力来满足MXene薄膜在其他应用中的特殊要求。本研究所制备的MXene薄膜具有致密的MXene片层，内部传质通道缺乏，限制了其在气体分离、水净化、海水淡化、渗透发电、电化学储能等领域的应用。为了制备MXene薄膜，需要优化新的合成方法。为此，需要努力精心调整MXene片的表面化学性质。二维异质结构的概念也可以用来设计MXene薄膜的二维传质通道。MXene薄膜的可扩展生产能力使我们相信廉价的MXene产品将很快应用于我们的日常生活中。

【参考文献】

[1] Minghao Yu and Xinliang Feng, Scalable Manufacturing of MXene Films: Moving toward Industrialization, Matter, 2020. DOI: 10.1016/j.matt.2020.07.011 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520303696via%3Dihub

[2] Jason Lipton, Jason A. Ro¨ hr, Vi Dang, Adam Goad, Kathleen Maleski, Francesco Lavini, Meikang Han, Esther H.R. Tsai, Guo-Ming Weng, Jaemin Kong, Elisa Riedo, Yury Gogotsi and Andre´D. Taylor, Scalable, Highly Conductive, and Micropattern able MXene Films for Enhanced Electromagnetic Interference Shielding, Matter, 2020. DOI: 10.1016/j.matt.2020.05.023 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520302903?via%3Dihub