MAX 相到 MXene 转变的逐层机制：解锁二维材料制备与应用的关键密码

为解决 MXene 合成中对基本蚀刻机制和动力学理解有限，影响工艺优化的问题，研究人员开展了对 MAX 相蚀刻过程的研究。通过原位和非原位技术监测，发现蚀刻成核瞬间发生且逐层进行，V2AlC 蚀刻受扩散限制，Ti2AlC 和 Ti3AlC2受反应界面限制。该研究为 MAX 相蚀刻机制等提供见解。

　　层状材料种类丰富，从硅酸盐粘土到金属双氢氧化物、过渡金属氧卤化物、电子化合物和 MAX 相。这些材料可作为二维（2D）材料的前体。选择性蚀刻是一种很有前景的方法，能够去除特定的原子层，使剩余的层解耦，进而剥离成独立的二维薄片。MXene 是增长最快的二维材料家族，由过渡金属碳化物和氮化物组成，通过对前体 MAX 相进行选择性蚀刻制备而成。它在从储能到生物医学、分子传感、电磁屏蔽等诸多领域都极具应用潜力。然而，由于非选择性蚀刻无意中产生的原子缺陷，MXene 容易发生氧化和水解。在此，研究对 MAX 相的蚀刻过程展开研究，以便短期内改进 MXene 的合成方法，长期来看，为蚀刻其他层状材料提供有益的见解。研究发现，尽管 MAX 相颗粒浸没在氢氟酸这种腐蚀性蚀刻剂中，但蚀刻却是从颗粒的两个基面开始，逐层进行，就好比看书时必须从开头（或结尾！）按顺序阅读，而不是随意从某个地方开始。已形成的 MXene 薄片在蚀刻剂中停留的时间越长，就越容易发生非选择性蚀刻并产生缺陷。因此，这一发现促使科研界探索如何在 MXene 薄片刚形成时就将其从蚀刻剂中分离出来。实验还展示了如何利用光学显微镜的微分对比技术和收集副产物逸出气体的方法，有效地对蚀刻过程进行原位监测，这将有助于对其他层状材料的蚀刻过程进行探究。

MXene 是增长最快的二维材料家族，在从储能到生物医学、传感和电磁屏蔽等领域都有应用潜力。尽管通过对层状 MAX 相前体进行选择性蚀刻，在 MXene 合成方面已取得显著进展，但对基本蚀刻机制和动力学的理解有限，阻碍了该工艺的合理优化。在此，研究人员利用原位和非原位技术，在单颗粒和整体水平上对蚀刻过程进行了监测。研究表明，蚀刻成核是瞬间发生的，并且蚀刻是逐层进行的。通过分析建模发现，V₂AlC 的蚀刻受扩散限制。相比之下，Ti₂AlC 和 Ti₃AlC₂的蚀刻受反应界面限制，其中 Ti₃AlC₂还存在额外的表面反应限制，这一限制占总蚀刻时间的四分之一以上。总的来说，该研究为 MAX 相蚀刻机制和动力学提供了重要见解，并概述了可用于研究可蚀刻层状材料的工具和技术。