一种化学定制层状纳米材料的方法

一种让科学家将二维材料的纳米层化学切割和缝合在一起的新工艺——就像裁缝改变西装一样——可能只是设计可持续能源未来技术的工具。来自中国德雷塞尔大学和瑞典的研究人员开发了一种在结构上分裂、编辑和重构层状材料的方法，称为MAX相和MXenes，具有生产具有非常不寻常成分和卓越性能的新材料的潜力。

“化学剪刀”是一种旨在与特定化合物反应以破坏化学键的化学物质。最初的一套化学剪刀，旨在打破有机分子中的碳氢键，是十多年前报道的。

在最近发表在《科学》杂志上的一篇论文中，国际团队报告了一种磨刀的方法，以便它们可以切割极其坚固和稳定的层状纳米材料，从而打破单个原子平面内的原子键，然后替换新元素 - 从根本上改变材料的成分在单个化学“剪”中。

“这项研究开启了材料科学的新时代，实现了二维和分层材料的原子工程，”德雷克塞尔工程学院杰出大学教授兼巴赫Yury Gogotsi博士说。“我们正在展示一种组装和拆卸这些材料的方法，就像乐高积木一样，这将导致令人兴奋的新材料的开发，这些材料甚至还没有被预测到现在能够存在。

Gogotsi和他在Drexel的合作者一直在研究他们在2011年发现的一系列名为MXenes的层状纳米材料的特性。MXenes最初是一种称为MAX相的前驱体材料;“MAX”是一种化学结构，表示材料的三层：M，A和X.在MAX相上施加强酸会化学蚀去A层，从而形成一种多孔层的材料 - 具有无A的绰号：MXene。

这一发现是在全世界对一种名为石墨烯的二维纳米材料感到兴奋之后，当发现它的研究人员团队在2010年获得诺贝尔奖时，石墨烯被认为是存在的最强材料。石墨烯的发现扩大了对其他具有非凡特性的原子薄材料的搜索 - 如MXenes。

Drexel的团队一直在不懈地探索MXene材料的特性，从而发现了其卓越的导电性，耐用性以及吸引和过滤化合物的能力等。但在某些方面，MXenes 的潜力从一开始就受到其生产方式以及可用于创建它们的有限 MAX 相和蚀刻剂的限制。

“以前，我们只能通过调整MAX相的化学性质或用于蚀刻它的酸来生产新的MXenes，”Gogotsi说。“虽然这使我们能够创建数十个MXene，并预测可以创建数十个MXen，但该过程不允许大量的控制或精度。

相比之下，由Gogotsi和中国科学院教授Qing Huang博士领导的团队在其科学论文中报告的过程解释说，“分层过渡金属碳化物的化学剪刀介导的结构编辑”更像是进行手术，Gogotsi说。

第一步是使用路易斯酸性熔盐(LAMS)蚀刻协议，像往常一样去除A层，但也能够用另一种元素(例如氯)代替它。这很重要，因为它将材料置于化学状态，因此可以使用第二组化学剪刀将其层切开，该剪刀由金属(如锌)组成。

这些层是MAX相的原材料，这意味着添加一点化学“砂浆”(称为插层的过程)可以让团队构建自己的MAX相，然后可用于创建新的MXenes，量身定制以增强特定性能。

“这个过程就像对MAX结构进行手术切割，剥离层，然后用新的和不同的金属层重建它，”Gogotsi说。“除了能够产生新的和不寻常的化学物质(这从根本上很有趣)之外，我们还可以制造新的和不同的MAX相，并使用它们来生产为优化各种性能而量身定制的MXenes。

除了构建新的MAX相外，该团队还报告了使用该方法创建MXenes，该方法可以容纳新的“客体原子”，而这些原子以前在化学上无法容纳，从而进一步扩展了MXene材料系列。

“我们预计这项工作将导致已经非常大的分层和二维材料空间的重大扩展，”Gogotsi说。“传统MAX前驱体无法生产的新型MXenes正在成为可能。当然，具有不同寻常结构和性能的新材料有望实现新技术。

根据Gogotsi的说法，这项研究的下一步是将二维和三维层状碳化物以及金属嵌入二维碳化物分层成单层和几层纳米片。这将使研究人员能够表征其基本特性，以优化用于储能，电子和其他应用的新材料。