Китайские ученые впервые создали «одноступенчатый метод», открыв новый экологичный путь синтеза нового двумерного карбида переходного металла MXene

Как стало известно изданию Weidu, из Тяньцзиньского университета Китая, исследовательская группа Nanoyang с химико-технологического факультета университета в сотрудничестве с учеными из Сычуаньского университета и Университета Тулузы (Франция) добилась значительного прорыва в исследованиях по экологичному синтезу нового двумерного карбида переходного металла (MXene), получив систему материалов MXene с малым числом слоев и положительно заряженной поверхностью. Этот прогресс предоставляет трансформационную новую парадигму для экологичного и масштабируемого применения звездного двумерного материала MXene. Соответствующие результаты исследования были опубликованы в международном журнале Nature Synthesis.

Схематическая диаграмма процесса синтеза MXene с малым числом слоев и положительным зарядом. Как известно, материалы MXene представляют собой новый класс двумерных пластинчатых материалов с отличной электропроводностью, богатыми поверхностными свойствами и гибко регулируемой структурой. Поэтому они имеют очень широкие перспективы применения в таких областях, как электрохимическое накопление энергии, электромагнитное экранирование и катализ.

Однако процесс производства MXene является «сложным» и «неэкологичным». В настоящее время синтез материалов MXene с малым числом слоев по-прежнему в основном зависит от сложных многоступенчатых технологических процессов и включает использование фторсодержащих, токсичных реагентов, что не только увеличивает стоимость, но и несет риски загрязнения окружающей среды. Кроме того, материалы MXene, полученные традиционными методами, имеют отрицательно заряженную поверхность, что ограничивает их эффективность и стабильность во многих областях применения, становясь препятствием для масштабирования. Поэтому ученые постоянно ищут более экологичные, эффективные и прямые методы синтеза, особенно надеясь достичь быстрого получения материалов MXene с малым числом слоев и контролируемыми зарядовыми характеристиками.

Для решения этой задачи исследовательская группа новаторски предложила одноступенчатую стратегию синтеза на основе глубокоэвтектического растворителя (DES). Этот растворитель состоит из гидратированного хлорида кобальта и холинхлорида, обладает низкой стоимостью, является биоразлагаемым и экологически безопасным.

С помощью этой стратегии была достигнута прямая трансформация из фазы MAX в материал MXene с малым числом слоев и положительным зарядом. «Это не только значительно упрощает процесс синтеза, позволяя осуществлять прямое получение одноступенчатым методом, но, что более важно, впервые реализует контролируемый синтез положительно заряженного MXene», — пояснил Ян Цюаньхун, профессор химико-технологического факультета Тяньцзиньского университета и автор-корреспондент статьи. Эта стратегия позволяет в одном шаге выполнить процессы селективного травления, эффективного расслоения и поверхностной функционализации, которые ранее требовали нескольких этапов.

В практических применениях положительно заряженные материалы MXene демонстрируют огромный потенциал. В области накопления энергии этот материал показывает выдающуюся способность к хранению лития. При использовании в качестве катодного катализатора в цинк-йодных батареях положительный заряд на его поверхности может эффективно «захватывать» побочные продукты, снижающие производительность батареи, тем самым осуществляя каталитическое преобразование и значительно продлевая срок службы батареи. «Это означает, что он может стать важным прорывом в технологиях накопления энергии следующего поколения», — считает Ян Цюаньхун.