王治宇教授团队在MXene高效稳定技术研究领域取得新进展

huanping

MXene是近年备受瞩目的一类新型二维材料，其化学式为Mn+1Xn（n=1, 2, 3，M为过渡金属元素，X为碳或/和氮元素），迄今已成功制备30余种，并有数十种理论预言稳定存在。多元的化学结构与组成赋予MXene从金属性到半导体连续可调的电子结构和丰富的表面化学性质，在储能、催化、环境、生物、电子、电磁屏蔽、超导、传感、分离技术、超导等领域具有广阔应用前景。化学刻蚀层状MAX相陶瓷是目前制备MXene的主要方法，但此过程使大量的亚稳态金属原子暴露在MXene的表面，显著降低其化学与结构稳定性，是制约MXene生产、存储、应用与相关前沿技术发展的基础关键难题之一。
        针对这一难题，精细化工国家重点实验室王治宇、邱介山教授在Angewandte Chemie International Edition发表题为“Stabilizing the MXene by Hydration Chemistry in Aqueous Solution”的研究论文，利用盐的水合效应束缚水溶液中的自由水分子以降低水活度与溶解氧浓度，实现MXene在水溶液中的高效稳定。研究表明：阴阳离子半径较小、金属离子配位能力较弱的无机盐如LiCl、NaCl、CaCl2等均可用于在水溶液中高效稳定MXene；在LiCl饱和溶液中，MXene在室温条件下的存储时间可从数天延长到400天以上。在此基础上，进一步利用赝电容效应或局域等离子体共振效应耦合的电催化过程作为探针反应，揭示了本技术对MXene表面化学性质与体相载流子性质的高效保护作用。
        本技术使用廉价的大宗商业化无机盐作为保护剂，且90 %以上的无机盐保护剂可在滤出MXene后，通过简单的蒸发结晶过程回收再利用，过程简便易行、高效低成本、绿色环保，解决了MXene难以长期存储的瓶颈难题，为其实际应用奠定了坚实基础。

图1 无机盐水合效应改善MXene在水溶液中稳定性的机制示意图

图2  (a) 无机盐阴阳离子半径与其饱和溶液水活度的关联规律；(b) 在饱和LiCl溶液中保存400天后的Ti3C2Tx MXene的XPS谱图；此MXene在保护前后的(c)赝电容性能与(d)近红外光辐照下的析氢活性比较。

        上述工作近期发表在Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202113981），论文第一作者为大连理工大学博士研究生王星宇，研究工作得到了国家自然科学基金会、辽宁省科技厅、大连市科技局、大连理工大学等的资助支持。


        文献详情：
        Xingyu Wang, Zhiyu Wang,* Jieshan Qiu. Stabilizing the MXene by Hydration Chemistry in Aqueous Solution, Angewandte Chemie International Edition, 2021, DOI: 10.1002/anie.202113981


        文章来源：大连理工大学
         邱介山, 化工学院教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授、国务院政府津贴专家、国家“有突出贡献中青年专家”及国家“百千万人才工程”人选、全国化工优秀科技工作者、全国百篇优秀博士论文指导教师。主要从事材料化工、能源化工等方面的研究。承担完成或正在实施各类课题60余项，包括国家自然科学基金杰出青年基金项目、3项国家自然科学基金重点课题等。研究工作获德国拜尔公司、瑞士加铝公司、日本三菱公司、香港中华煤气公司等国际著名企业资助。
        王治宇，教授，博士生导师，大连理工大学化工学院副院长，辽宁省微纳米技术及系统重点实验室纳米材料与器件研究室副主任。国家自然科学基金优秀青年基金获得者、德国洪堡学者、大连理工大学“星海杰青”。主要从事纳米新能源材料的基础与应用研究工作（锂二次电池、电化学催化等）。在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Energy Environmental Science等国际知名学术期刊发表论文60余篇，论文SCI他引59900余次，出版专著1部，H-index: 37。承担国家自然科学基金优秀青年基金、中组部青年##计划专项资金、国家自然科学基金面上项目、霍英东青年教师基金等课题项目。任英国Nature出版集团刊物Scientific Reports编委、国际电化学能源科学院(IAOEES)青年理事、中国颗粒学会青年理事、全国石油和化工行业重质油碳质化高附加值利用重点实验室学术委员等学术兼职。