MXenes材料新工藝：研究人員通過選擇性蝕刻碳硅化鈦獲得碳化鈦薄片

圖片來源：wiley

由於MXenes材料具備的金屬導電性和親水性特點，它們已被用作可充電電池和超級電容器的電極，以及其他應用上，包括：光熱癌症療法、電磁屏蔽、水凈化和氣體感測器。在《Angewandte Chemie》雜誌中，研究人員現在推出了一種全新的生產工藝。它們還選擇性地從碳硅化鈦（一種更廉價和更常見的前驅體）中除去硅以合成碳化鈦，而不是使用傳統更昂貴的鈦碳化鋁。

由幾個原子厚度的極薄層組成的二維材料具有與普通三維版本完全不同的獨特性能。一個突出的例子是石墨烯，它由單層碳原子組成。2011年，費城德雷塞爾大學（美國賓夕法尼亞州）合成了一類新的二維材料。這種材料由過渡金屬碳化物和氮化物製成，被稱作MXenes，其中M代表過渡金屬，如鈦、釩或鉬，X可以是碳或氮，並且有許多組合（已被實驗證明的約有30種，預計還會有數十種）。碳化鈦（Ti3C2）就是這樣的一種MXene材料。

獲得所需的MXene材料通常過程較為複雜：用氫氟酸選擇性刻蝕被稱作MAX相的層狀碳化物和氮化物以去除「A」元素的層，所述A元素通常為13或14族元素，例如鋁、硅或鍺。

通過這種方式，碳化鈦可以通過從碳鋁化鈦（Ti3AlC2）中蝕刻出鋁來獲得。 但是，這種原料價格昂貴，而且生產工藝很複雜。相反，硅的類似物，碳硅化鈦（Ti3SiC2）在市場上可買到且價格便宜。Ti3SiC2是Drexel研究人員在2011年嘗試選擇性蝕刻的第一個MAX相，但合成失敗時僅使用氫氟酸，因為硅原子與相鄰的過渡金屬原子強烈結合。

由德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授領導的一個研究小組現在已經開發了這一過程的成功變體。通過添加氧化劑，研究人員可以削弱硅鍵，使硅氧化。該團隊使用氫氟酸和氧化劑如硝酸、過氧化氫或高錳酸鉀的混合物，通過選擇性地從Ti3SiC2中除去硅而生產出碳化鈦MXene材料。

蝕刻過程完成後，留下碳化鈦堆疊，可以將其分層以製造厚度約1nm的薄片。使用這種方法，研究人員可在相當大的範圍內製造柔軟的導電碳化鈦薄膜。

這種新方法可以使MXenes材料的生產變得更加容易，並且開闢了通過含硅前驅體生產新MXenes材料和相關二維材料的途徑，從而擴展了科學家和工程師可用的二維納米片。

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