张传芳研究员Materials Today:二维MXenes液相处理的研究进展

张传芳研究员Materials Today:二维MXenes液相处理的研究进展自2011年首次报道了MXenes二维材料以来,科学家已经围绕着这种新型二维材料开展全方面的研究,涉及储能,电池,催化,生物医学,电磁屏蔽,超快激光等等。MXenes具体是指一类具有Mn+1XnTx元素构成的材料体系,其中M表示早期过渡族金属元素,X表示C或者N,T指的是该二维材料表面的基团/修饰体,n通常取值范围为1-4。由于该体系丰富的化学构成,目前已经报道的MXenes材料超过30种,这给按性能需要制备适当的MXene材料提供了广阔的空间。

MXene的应用在很大程度上取决于其加工策略和制造方法。然而,MXenes的溶液处理尚未获得足够的关注,相关报道亦是寥寥无几。近日,瑞士联邦理工学院联邦材料所(ETH Domain, Empa)的张传芳研究员与深圳大学的张晗教授,北京化工大学的邱介山教授合作,共同撰写了题为Perspectives on Solution Processing of Two-Dimensional MXenes”的长篇综述报道。论文以特邀综述发表于材料类顶级期刊Materials Today (2020年IF: 26.416)。

本文综述了近十年来MXene溶液处理的研究进展,简要介绍了MXene的刻蚀、分层及其物理化学性质,详细讨论了MXene胶体的流变特性和MXene涂层的润湿性,这对实现高分辨率印刷和均匀涂层至关重要。论文提出了MXene油墨和目标基板适配模型,以实现高效而均匀的印刷路径/涂层膜。并且,该论文描绘出了MXenes面向不同应用场合的液相处理“指南地图”。基于所得MXene胶体的流变学特性,按照向导图便可知最佳液相处理路径,以实现最大化的线条精度、电导率、载量、处理产能等等,进而实现MXene在各个领域的高性能应用。 
张传芳研究员Materials Today:二维MXenes液相处理的研究进展
图1. 刻蚀MAX获得高质量MXene的制备方法发展历程。(a)刻蚀工艺;(b)剥离工艺。
 
由于MXenes主要通过基于溶液的方法合成,因此基于溶液的制造技术(例如印刷或涂层)对于它们的进一步加工(例如器件制造)是最便捷的。通过这些技术,稳定的MXenes胶体被加工成与目标基板具有可接受附着力的连续薄膜。这种分散液称为油墨,通常含有添加剂(如粘合剂、表面活性剂),以改善其加工性能和成膜性能。在大多数情况下,添加剂会降低薄膜/结构的电子性能,应在制造过程结束时去除。然而,由于MXenes上存在丰富的表面官能团,无添加剂MXenes基油墨的制备比大多数其他材料更容易。
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图2. Mxenes墨汁在基板上的润湿行为和干燥行为
 
MXenes油墨是一种复杂的流体,主要由于颗粒施加的几何约束,对施加的应力(或应变)表现出复杂的机械响应。因此,了解这些油墨的流变特性对其正确加工至关重要。事实上,在基于溶液的过程的所有阶段,从储存到应用,以及干燥,油墨都处于各种类型的应力下,它们的流变特性决定了它们在每个阶段的行为。 
张传芳研究员Materials Today:二维MXenes液相处理的研究进展
图3. MXene分散体液的流变特性。
 
MXenes油墨的胶体稳定性、流变性能和成膜行为主要取决于表面基团的类型和浓度。油墨的表面张力和附着力主要取决于所选溶剂(分散介质)的性质,也间接由表面基团(通过溶剂相互作用)决定。因此,MXene油墨的性质主要由MXene本身的物理化学性质和载体溶剂决定。另外,油墨在基材上的润湿行为(体现为胶体-基材表面适配性)和干燥行为(体现为载体溶剂的干燥动力学,以及固液界面交互)对形成均匀的高品质薄膜、高精度线条至关重要。 
张传芳研究员Materials Today:二维MXenes液相处理的研究进展
图4. MXenes溶液到器件的制备工艺指南图。
 
在这篇综述中,根据MXenes不同的物理化学性质,给出了一个清晰的液相处理向导图,进而指导面向不同应用需求特征的MXenes液相加工策略。重点讨论了MXene的流变行为,为MXene溶液加工提供了基础。我们重点回顾MXene加工的最新发展,包括印刷(喷墨、挤压、丝网等)和涂层(刀片、旋转、喷涂等),以及其他相关工艺(界面吸附、真空抽滤等)。最后,我们系统揭示了MXenes工艺对高性能薄膜/器件的挑战和未来展望。

论文的唯一通讯作者为ETH Empa的张传芳研究员,共同第一作者为ETH的Sina Abdolhosseinzadeh博士和深圳大学的蒋先涛副研究员。
 
Sina Abdolhosseinzadeh, Xiantao Jiang, Han Zhang, Jieshan Qiu, Chuanfang (John) Zhang, Perspectives on solution processing of two-dimensional MXenes, Materials Today, 2021, DOI:10.1016/j.mattod.2021.02.010

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参考文献: