张传芳研究员Materials Today：二维MXenes液相处理的研究进展 发布时间：2021-09-22来源：能源学人 编辑：admin 广告位置（首页一通--图文） 自2011年首次报道了MXenes二维材料以来，科学家已经围绕着这种新型二维材料开展全方面的研究，涉及储能，电池，催化，生物医学，电磁屏蔽，超快激光等等。MXenes具体是指一类具有Mn+1XnTx元素构成的材料体系，其中M表示早期过渡族金属元素，X表示C或者N，T指的是该二维材料表面的基团/修饰体，n通常取值范围为1-4。由于该体系丰富的化学构成，目前已经报道的MXenes材料超过30种，这给按性能需要制备适当的MXene材料提供了广阔的空间。 MXene的应用在很大程度上取决于其加工策略和制造方法。然而，MXenes的溶液处理尚未获得足够的关注，相关报道亦是寥寥无几。近日，瑞士联邦理工学院联邦材料所（ETH Domain, Empa）的张传芳研究员与深圳大学的张晗教授，北京化工大学的邱介山教授合作，共同撰写了题为“Perspectives on Solution Processing of Two-Dimensional MXenes”的长篇综述报道。论文以特邀综述发表于材料类顶级期刊Materials Today (2020年IF: 26.416)。 本文综述了近十年来MXene溶液处理的研究进展，简要介绍了MXene的刻蚀、分层及其物理化学性质，详细讨论了MXene胶体的流变特性和MXene涂层的润湿性，这对实现高分辨率印刷和均匀涂层至关重要。论文提出了MXene油墨和目标基板适配模型，以实现高效而均匀的印刷路径/涂层膜。并且，该论文描绘出了MXenes面向不同应用场合的液相处理“指南地图”。基于所得MXene胶体的流变学特性，按照向导图便可知最佳液相处理路径，以实现最大化的线条精度、电导率、载量、处理产能等等，进而实现MXene在各个领域的高性能应用。 图1. 刻蚀MAX获得高质量MXene的制备方法发展历程。（a）刻蚀工艺；（b）剥离工艺。 由于MXenes主要通过基于溶液的方法合成，因此基于溶液的制造技术（例如印刷或涂层）对于它们的进一步加工（例如器件制造）是最便捷的。通过这些技术，稳定的MXenes胶体被加工成与目标基板具有可接受附着力的连续薄膜。这种分散液称为油墨，通常含有添加剂（如粘合剂、表面活性剂），以改善其加工性能和成膜性能。在大多数情况下，添加剂会降低薄膜/结构的电子性能，应在制造过程结束时去除。然而，由于MXenes上存在丰富的表面官能团，无添加剂MXenes基油墨的制备比大多数其他材料更容易。 图2. Mxenes墨汁在基板上的润湿行为和干燥行为 MXenes油墨是一种复杂的流体，主要由于颗粒施加的几何约束，对施加的应力（或应变）表现出复杂的机械响应。因此，了解这些油墨的流变特性对其正确加工至关重要。事实上，在基于溶液的过程的所有阶段，从储存到应用，以及干燥，油墨都处于各种类型的应力下，它们的流变特性决定了它们在每个阶段的行为。 图3. MXene分散体液的流变特性。 MXenes油墨的胶体稳定性、流变性能和成膜行为主要取决于表面基团的类型和浓度。油墨的表面张力和附着力主要取决于所选溶剂（分散介质）的性质，也间接由表面基团（通过溶剂相互作用）决定。因此，MXene油墨的性质主要由MXene本身的物理化学性质和载体溶剂决定。另外，油墨在基材上的润湿行为（体现为胶体-基材表面适配性）和干燥行为（体现为载体溶剂的干燥动力学，以及固液界面交互）对形成均匀的高品质薄膜、高精度线条至关重要。 图4. MXenes溶液到器件的制备工艺指南图。 在这篇综述中，根据MXenes不同的物理化学性质，给出了一个清晰的液相处理向导图，进而指导面向不同应用需求特征的MXenes液相加工策略。重点讨论了MXene的流变行为，为MXene溶液加工提供了基础。我们重点回顾MXene加工的最新发展，包括印刷（喷墨、挤压、丝网等）和涂层（刀片、旋转、喷涂等），以及其他相关工艺（界面吸附、真空抽滤等）。最后，我们系统揭示了MXenes工艺对高性能薄膜/器件的挑战和未来展望。 论文的唯一通讯作者为ETH Empa的张传芳研究员，共同第一作者为ETH的Sina Abdolhosseinzadeh博士和深圳大学的蒋先涛副研究员。 Sina Abdolhosseinzadeh, Xiantao Jiang, Han Zhang, Jieshan Qiu, Chuanfang (John) Zhang, Perspectives on solution processing of two-dimensional MXenes, Materials Today, 2021, DOI:10.1016/j.mattod.2021.02.010
