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仪表网 研发快讯】二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)，尤其是少层纳米片结构的MXenes，因其优异的电导率、丰富的活性表面和可调节的加工性，已成为前沿材料研究的热点。基于前期中国科学院宁波材料技术与工程研究所提出的路易斯酸熔盐刻蚀法，可制备表面端基为-Cl、-Br、-I、-S、-Se或-Te的MXenes，实现对材料表面化学性质与本征物性的精准调控。然而，目前还缺乏有效的剥离手段将路易斯酸熔盐刻蚀得到的多层MXenes转变为少层或者单层MXenes，限制了其进一步的功能应用。
近日，宁波材料所梁坤研究员带领团队联合中国科学院北京纳米能源与系统研究所朱来攀研究员、西华大学余黎静教授提出了一种高效电化学剥离新策略。该方法通过精确调控电解液中锂离子的溶剂化环境，利用电化学过程将Li(PC)n+插层到路易斯酸熔盐刻蚀得到的多层MXenes的层间，并通过电化学电位调控，使溶剂化离子原位分解，产生气态丙烯分子。该气态分子作为 “物理剪刀” 可有效削弱卤素端基MXenes层间强作用力，从而高效剥离出-Cl/-Br端基少层MXenes。在优化截止电压条件下，该工艺产率高达93%，剥离过程温和且可完整保留纳米片的表面化学特性。进一步研究发现，所得少层MXenes用作摩擦伏特纳米发电机(TVNG)润滑剂时，表现出优异的性能提升，尤其是Ti3C2Br2能显著增加输出电信号。该电化学剥离策略不仅加深了对MXenes本征物性的理解，也为其他二维层状材料的纳米工程化设计与功能拓展提供了新思路(图1)。
本工作提出的气态分子型“物理剪刀”辅助的电化学剥离策略温和的剥离过程不仅保证了MXenes晶体结构和表面化学的稳定性，还最大限度地提升了少层MXenes纳米片的产率(图2)，有利于少层MXenes的表面化学和物性调控。
通过原位X射线衍射、原位电化学差分质谱、准原位红外光谱及扫描电镜的联合表征，研究团队揭示了MXenes在电化学剥离过程中的“插层-膨胀-分层”的三阶段机制，有望为强层间结合力二维材料的高效剥离提供通用化技术范式。得益于温和剥离工艺，所制备的高产率少层MXenes纳米片在功函数、电导率、表面润湿性及光透过率等关键物理性能上均实现了高度可调。以少层卤素端基MXenes作为界面润滑剂，其较高的接触角有效增强了固液界面摩擦带电效应，显著提升了摩擦伏特纳米发电机(TVNG)的电输出信号与循环寿命(图3)。研究团队还发现气态分子型“物理剪刀”辅助的电化学剥离策略同样适用于多种范德华层状材料的剥离，并成功实现了TiS2、TaS2及CrSe2等过渡金属硫化物的高效剥离，充分体现出该剥离技术的通用性和广泛应用潜力。
相关成果以“Gaseous molecules-mediated electrochemical exfoliation of halogenated MXenes and its boosting in wear-resisting tribovoltaic devices”为题发表于Nature Communications期刊。宁波材料所博士生范琪、硕士生陈明华，北京纳米能源与系统研究所博士生李龙一为论文第一作者，宁波材料所梁坤研究员、北京纳米能源与系统研究所朱来攀研究员、西华大学余黎静教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金(U23A2093)、浙江省“高层次人才特殊支持计划”杰出人才项目(2022R51007)等的资助。
图1 气体分子辅助卤素端基MXenes的高效电化学剥离及其在耐磨损摩擦伏特器件中的增强作用示意图
图2 (a-j)少层卤素端基MXenes纳米片的结构与形貌表征；(k-l)电化学剥离装置；(m)获得的高产率少层MXenes分散液
图3 不同端基MXenes润滑剂对摩擦伏特纳米发电机输出性能的影响
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