目前被报道的MXene制备方法多种多样，包括氢氟酸蚀刻法、熔盐蚀刻法、电化学蚀刻法、碱法蚀刻等等。然而，大量氢氟酸的使用和较长，较繁琐的剥离过程限制了MXene的大规模生产和进一步商业应用。

近日，西南交通大学的杨维清教授在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Supercritical etching method for the large-scale manufacturing of MXenes”的文章。该文章发明了一种在超临界二氧化碳辅助下宏量制备各种MXenes的超临界快速剥离方法。进一步开发了基于Ti₃C₂T_x的钠离子电池，该电池在100 mA g⁻¹时容量为100 mAh g⁻¹，库仑效率接近100%。基于此研究，MXenes超临界剥离方法将为MXenes的商业化生产提供广阔平台。

研究要点1：在超临界条件下（临界温度Tc=31.04 °C, 临界压力Pc=7.38 MPa），二氧化碳分子将被挤压成液相。这些CO₂分子与NH₄HF₂原位生成的HF之间存在更活跃的分子碰撞, 这将极大地促进HF穿梭到MAX相中。随后，MAX相中的M-Al键断裂形成铝盐AlF₃和(NH₄)₃AlF₆。这些生成的铝盐逐渐从MXene层内部被挤出，进一步加快了刻蚀进度。最后，超过公斤级别的MXene粉末在短短4小时内被制备出来。

图1. 超临界二氧化碳刻蚀Ti₃C₂T_x MXene的超快工艺和Ti₃C₂T_x MXene稳定分散液的制备原理图。

研究要点2：为了进一步验证MXenes超临界剥离法的普适性，我们将其扩展到剥离各种MAX相上。结果，在调整后的超临界条件下，Nb₂AlC、Ti₂AlC、Mo₂Ga₂C和Ti₃AlCN被成功刻蚀成相应的MXenes (Nb₂CT_x、Ti₂CT_x、Mo₂CT_x和Ti₃CNT_x)。我们所设计的MXenes超临界剥离法为大规模生产各种MXenes材料提供了广泛而有效的途径。

图 2. 超临界二氧化碳剥离得到的各种MXene的形貌和公斤级别展示。

研究要点3：为了验证经过超临界剥离的MXene的电化学性能，我们将其作为钠离子电池的阳极进行了电化学测试。在1000mA g^-1的高电流密度下，钠离子电池的容量约为70 mAh g^-1。此外，在100多次循环中，库仑效率稳定在100%。将电流密度降低到100 mAg^-1后，容量增加到100 mAh g^-1以上。

图 3. 超临界二氧化碳剥离的Ti₃C₂T_x基钠离子电池的电化学性能。

【小结】

MXenes作为一种新兴的二维材料，在储能、传感等领域受到了广泛的关注。但极具危险性的含氟酸刻蚀法耗时超长，有甚者多达数天，且产量低(⁓1g)，这从根本上制约了MXenes的大批量制备和商业化应用。这种绿色、快速、简易的超临界剥离方法是大规模MXenes商业化生产的一个里程碑，该方法已经实现科技成果转化。但是，这种方法在原子和理论层面需要进行更系统的研究。值得一提的是，我们课题组在后续研究中会进一步揭示超临界快速剥离法的动力学原理以及开发其多功能应用技术，其他超临界流体也被应用于MXene的刻蚀，效果甚佳，敬请期待。

【文献链接】https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108147