经济的方法创造MXene材料可以实现新的电子或能源存储方法

完美羊角包的秘诀在于层数——越多层越好，每层都点缀着黄油。类似地，一种有望应用于新领域的新材料是由许多极薄的金属层构成的，科学家可以在这些金属层之间放入不同的离子，以达到不同的目的。这使得它们对未来的高科技电子产品或能源储存非常有用。

直到最近，这些被称为MXenes(发音为max-eens)的材料都是劳动密集型的，就像法国面包房制作的优质羊角面包一样。

但芝加哥大学的科学家们的一项新突破表明，如何更快、更容易地制造这些MXenes，同时产生更少的有毒副产品。

研究人员希望3月24日发表在《科学》杂志上的这一发现将刺激新的创新，并为在日常电子产品和设备中使用MXenes铺平道路。

原子经济

当它们在2011年被发现时，MXenes让许多科学家非常兴奋。通常，当你把金或钛这样的金属刮成原子薄的薄片时，它就不再像金属了。但是MXenes中异常强的化学键使它们保留了金属的特殊能力，比如强导电。

它们也很容易定制:“例如，你可以把离子放在层之间，用它们来储存能量。”化学研究生王迪说，他是这篇论文的共同第一作者，与博士后学者周晨坤一起。

所有这些优点使得MXenes在制造新设备方面非常有用——例如，储存电力或阻止电磁波干扰。

然而，我们所知道的制造MXenes的唯一方法涉及几个密集的化学工程步骤，包括在3000华氏度加热混合物，然后在氢氟酸中浸泡。

芝加哥大学欧内斯特·德威特·伯顿杰出服务化学教授、阿贡国家实验室联合任命教授、该论文的通讯作者德米特里·塔拉宾解释说:“如果你在实验室里制造几克用于实验，这是没有问题的，但如果你想制造大量用于商业产品，这将成为一个主要的腐蚀性废物处理问题。”

为了设计一种更有效、毒性更小的方法，该团队使用了化学原理，特别是“原子经济”原理，该原理旨在最大限度地减少反应过程中浪费的原子数量。

芝加哥大学的研究小组发现了新的化学反应，使科学家能够从简单而廉价的前体中制造MXenes，而不使用氢氟酸。它只包括一个步骤:将几种化学物质与你想要制造层的金属混合，然后将混合物加热到1700华氏度。“然后你打开它，它们就在那里，”王说。

这种更简单、毒性更小的方法为科学家创造和探索用于不同用途的MXenes新品种开辟了新的途径，例如不同的金属合金或不同的离子调味料。研究小组用钛和锆金属测试了这种方法，但他们认为这种技术也可以用于许多其他不同的组合。

“这些新的mxene在视觉上也很漂亮，”王补充道。“它们像花朵一样竖立起来，这甚至可能使它们更适合于反应，因为边缘暴露在外，离子和分子可以在金属层之间移动。”

研究生Wooje Cho也是这篇论文的合著者。这项探索得到了芝加哥大学各部门同事的帮助，包括理论化学家Suri Vaikuntanathan, x射线研究设施主任Alexander Filatov，以及普利兹克分子工程学院的电化学家Chong Liu和Mingzhan Wang。电子显微镜是由伊利诺伊大学芝加哥分校的Robert Klie和Francisco Lagunas进行的。

部分研究是由美国能源部能源前沿研究中心“能源-水系统先进材料”进行的;芝加哥大学材料研究科学与工程中心;以及阿贡国家实验室的纳米材料中心。

引用本文:“二维碳化物和氮化物MXenes的直接合成和化学气相沉积。”王和周等人，2023年3月24日。

基金资助:国家科学基金会，空军科学研究办公室，美国能源部，加拿大创新基金会。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。