https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02584
MXenes
（二维过渡金属碳化物
/
氮化物）在储能、电磁屏蔽、催化、离子分离、光热转换和润滑等领域有多功能应用，受到广泛关注。
MXenes
一般用氟化氢（
HF
）蚀刻前驱体
MAXs
相制备，鉴于
HF
的危险性，开发安全高效的
MXenes
制备方法对促进其工业化应用具有重要意义。
图1 （a）MXenes制备的反应动力学。（b）Sweet法制备MXenes示意图。（c）本制备方法蚀刻时间和氟过量比与文献的比较。
华南理工大学化学与化工学院余皓教授与李理波教授
通过研究
MAXs
相的蚀刻动力学，合理设计了
MXenes
的多元醇溶剂热制备法（
Sweet
法）：食品工业中的健康代糖多元醇作为溶剂，通过
NaBF
4
的原位水解反应引入氟离子，以
215~250
℃的蚀刻温度提升反应速率。这种方法最显著优点是：含氟蚀刻剂的量和蚀刻时间相比文献方法减少一到两个数量级，这使得
MXenes
的制备效率显著提高。
Ti
3
C
2
、
Nb
2
C
、
V
2
C
、
Mo
2
C
和
Ta
4
C
3
MXenes
都被证实可被
Sweet
方法制备。
图2（a）Ti
3
C
2
层间的分子动力学模拟图。（b） 甘油、赤藓糖醇和木糖醇中蚀刻反应的模拟扩散活化能和实验表观活化能的比较。
我们还通过准原位
XRD
研究和分子动力学（
MD
）模拟深入探讨
Sweet
制备方法的机理。
MD
模拟结合蚀刻实验表观活化能分析，表明蚀刻剂氟离子在受限空间内的扩散是蚀刻速率决定因素。多元醇用作溶剂时，
MXene
表面丰富的羟基与多元醇形成氢键，形成
MXene
的层间柱撑，在蚀刻过程中扩大了
MXene
的层间间距，降低扩散活化能，有助于蚀刻。
Sweet
合成法还是一种有效的
MXenes
结构编辑策略，由于蚀刻过程中层间距的扩张，能够一步合成少层
MXenes
。我们使用元气森林饮料主要甜味剂赤藓糖醇作为溶剂，进行
MXenes
的放大合成实验，
Ti
3
AlC
2
可被转化为
9.1 g
多层和
1.1 g
少层
Ti
3
C
2
产品，产率为
119%
，少层
Ti
3
C
2
胶体溶液的浓度为
3.7 mg
·
mL
-1
。同样，蚀刻
Nb
2
AlC
也可获得多层和少层
Nb
2
C
。
图4（a，b）Sweet MXenes与商业MXenes的Cr（VI）吸附性能。（c，d）Sweet MXenes与商业MXenes衍生的光催化剂光催化表现。
此外，得益于制备过程中低剂量的氟，
Sweet MXenes
表面的氟含量明显低于传统方法，例如
Sweet Ti
3
C
2
的氟含量仅为商业
Ti
3
C
2
（浓
HF
法合成）的
14-22%
。由于富含羟基的溶剂热环境，在多元醇中合成的
MXenes
具有较高的表面羟基基团比例，富含羟基的
Sweet Ti
3
C
2
具有更高的化学反应活性，表现出优异的
Cr
（
VI
）吸附性能。
Sweet MXenes
的高质量还在光催化领域得到证明：通过水热氧化法构建
TiO
2
/Ti
3
C
2
异质结光催化剂，其中
Ti
3
C
2
T
x
充当助催化剂。与商业
Ti
3
C
2
相比，由
Sweet Ti
3
C
2
衍生的光催化剂具有相对松散的形态和较大的比表面积，瓦尔堡阻抗下降了
78%
，表明
TiO
2
/Sweet Ti
3
C
2
具有更小的反应物扩散阻力，因此显示出更优异的析氢活性。
Ti
3
AlC
2
、
V
2
AlC
、
Nb
2
AlC
、
Mo
2
Ga
2
C
和
Ta
4
AlC
3
MAXs
相前驱体可以在
215-250
℃下，以
NaBF
4
在多元醇中原位水解形成的氟离子进行有效蚀刻，
NaBF
4
的剂量可以减少到化学计量比用量，蚀刻时间大幅缩短，我们通过
Sweet
法高效合成了高质量的
MXenes
。我们还发现，氟离子的层间扩散是整个蚀刻反应的速率决定因素，对
MXenes
合成机理的深入了解为绿色安全生产提供新的线索，这是
MXenes
实际应用的先决条件。
该研究成果以
“A Sweet Synthesis of MXenes”
为标题发表在
Nano
Letters
上。共同第一作者为华南理工大学化学与化工学院博士研究生许文康与石泽南，华南理工大学化学与化工学院李理波教授和余皓教授为该论文通讯作者。通讯单位为华南理工大学。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02584
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
