(文章來源:iVacuum)
十多年來,二維納米材料(如石墨烯)一直備受追捧,被認為是制作更優的微型芯片、電池、天線和許多其他設備元件的關鍵。但是,這種厚度僅有原子級別的材料,若要實現應用,無疑面臨著一項重大挑戰:如何在不影響品質的情況下大量生產?現在,這項挑戰對于MXene而言不再是問題。近日,德雷克賽爾大學和烏克蘭材料研究中心的科學家,設計了一套系統,可以大量制造MXene,同時還能保留材料的獨特性能。
MXene是近幾年發現的一種類石墨烯二維材料,具有超高體積比容量、金屬級導電性、良好的親水性,以及豐富的表面化學,因而在柔性儲能電極材料中有廣泛應用。已有相關研究證明,使用了MXene材料的原型設備,可以在儲能、計算、通訊、醫療保健等方面加以應用。證明某種材料能夠精煉和批量制備,是實現其產業化生產的關鍵一步。
在這項新研究中,科學家利用實驗室規模的反應器系統,將陶瓷前驅材料轉變為一堆粉末狀的黑色MXene碳化鈦,一次就能制出50克。這種材料正在向批量化制造邁進,是其走向主流應用的關鍵所在。當然,證明一種材料具有某種特性是一回事,證明它可以克服批量生產中的挑戰是另一回事。這項最新的研究,則朝這個方向邁出了重要一步。這意味著,MXene有望在電子設備和儲能設備中廣泛應用。
自2011年首次合成MXene以來,德雷克賽爾大學的研究人員就一直在研究該材料的制備問題,不過產量卻很少(通常不超過1克)。這種看起來就像是干燥粉末的層狀納米材料,源自于一種MAX相陶瓷。當用氟氫酸和鹽酸的混合液與MAX相發生反應時,會腐蝕掉材料的某些部分,從而呈現為MXene這種納米級薄片狀特征。
在實驗室中,該過程是在60毫升的容器中進行的,容器中即裝有上述混合液體。但后來,為了在更大的尺度上、更精確地控制這一過程,研究小組使用了一個1升的反應室,以及一個螺旋進料裝置來精確地添加MAX相:一個進料口將物料均勻地加到反應室中,另一個口則用于在反應期間釋放氣體壓力。經過特別設計的攪拌葉片可以充分、均勻地攪拌物料。反應室外有冷卻套管,可以用來調節反應溫度。整個過程由計算機程序控制。
研究小組報道說,他們利用反應器在兩天內(包括清洗、干燥樣品所需的時間),從50克MAX相前驅材料中,制得了只比50克少一點點的MXene粉末。一系列測試發現,與此前小規模制備的產品相比,反應器中制備的MXene仍然保留了其形態、電化學和物理特性。
這項研究證明,MXenes只需少量的二維材料就可以實現工業規模的生產。但是,由于MXene是減材制造工藝(類似于刨木頭,將原材料的一部分給刨掉),所以它與許多其他二維納米材料的增材制造工藝不同。
“大多數二維材料是用自上而下的方式制備的,”德雷克賽爾大學納米材料研究所博士后 Christopher Shuck解釋說,“換句話說,就是把原子逐個累加起來,這些材料可以在特定的表面上生長,或通過非常昂貴的設備將原子沉積。但是,即便使用了昂貴的設備和催化劑,每個生產批次也會相當費時,產量很小,而且,如果要在電子設備中廣泛使用,這些材料仍然顯得極其昂貴。”
而MXenes則與它們不同,得益于一系列物理特性,從MAX相原材料到最終產品MXene的制備過程可以大大簡化。
通常來說,建立一項技術和工藝需要很長時間,才能使納米材料實現工業級的應用。這當中,不僅僅涉及到批量生產的問題,而且還需要發明、設計全新的設備和工藝,才能使材料成型,嵌入到微型芯片、手機元件等的生產過程當中。不過對MXenes來說,整合到生產線中倒是相當容易的。
值得一提的是,MXenes在合成后,能以粉末狀態加以利用,或是加入水中,形成穩定的膠體溶液。這無疑是其有利之處。畢竟,水是最便宜、最安全的溶劑。通過這項開發的新工藝,只需一個批量的MXenes材料,就可以壓印或印刷成千上萬的小型設備或超薄設備,例如超級電容或RFID標簽。
這項工藝最令人興奮的地方在于,如果擴大工業規模,根本不存在限制因素。大批量生產MAX相的公司正在越來越多,其中有很多是用存量豐富的前驅材料制備的。而且,二維材料鮮有可以通過常規反應工程裝備和設計,用濕化學法大批量制備的,而MXenes則屬于其中的少數派。
據悉,目前已有多家公司將目光聚焦于MXene材料的應用,其中就包括日本京都的電子元件公司Murata Manufacturing Co, Ltd.,該公司正在開發MXene技術,以應用于多種高科技產品中。
(責任編輯:fqj)
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