气体分子介导的电化学剥离法制备卤素终止MXene及其在耐磨摩擦伏电器件中的性能提升

研究人员针对传统熔融盐蚀刻法制备少层MXene（二维过渡金属碳化物/氮化物）时面临的剥离效率低、表面化学控制难等问题，开发了一种基于Li(PC)n+溶剂化共插层-分解机制的气体分子介导电化学剥离新策略。通过调控截止电压，实现了93%高回收率的Ti3C2Cl2/Ti3C2Br2少层纳米片制备，并成功将其作为润滑剂应用于摩擦伏电器件（TVNG），使Ti3C2Br2器件输出性能显著提升。该研究为MXene本征物性研究提供了新方法，推动了先进电子器件的纳米工程应用。

　　

在材料科学领域，二维过渡金属碳化物/氮化物（MXene）因其卓越的导电性、可调控的表面化学和独特的层状结构，已成为能源存储、电子器件等领域的新宠。然而，传统制备方法面临两大瓶颈：氢氟酸蚀刻法会产生混合的-F/-OH/-O表面终止基团，而熔融盐蚀刻法虽能精确控制表面化学（如-Cl/-Br等卤素终止），却因层间作用力过强导致剥离效率低下。如何高效制备少层卤素终止MXene并揭示其本征物性，成为制约该材料走向应用的关键难题。

针对这一挑战，中国科学院宁波材料技术与工程研究所等单位的研究人员创新性地提出气体分子介导的电化学剥离策略，相关成果发表在《Nature Communications》。研究团队通过原位表征技术揭示了Li(PC)_n⁺溶剂化离子插层与丙烯分子气体协同作用机制，成功实现了93%高回收率的少层MXene制备，并系统研究了不同终止基团对摩擦伏电器件性能的调控规律。这项工作不仅建立了MXene制备的新范式，更为界面电子传输器件的设计提供了重要指导。

关键技术方法包括：（1）熔融盐蚀刻法制备卤素终止MXene前驱体；（2）原位XRD（X射线衍射）和DEMS（差分电化学质谱）联用解析插层动力学；（3）电化学剥离参数优化系统；（4）摩擦伏电器件（TVNG）的界面输运性能测试平台；（5）表面功函数与接触角等物性表征体系。

【材料表征】部分显示，通过熔融盐蚀刻获得的Ti₃C₂Cl₂和Ti₃C₂Br₂呈现典型的"手风琴"状多层结构，XRD显示其（002）晶面间距分别为1.10 nm和1.20 nm。电化学剥离后，TEM和AFM证实获得横向尺寸数百纳米、厚度约2.2 nm的双层纳米片，SAED（选区电子衍射）显示完好的六方晶体对称性。XPS（X射线光电子能谱）证实表面Cl/Br终止基团保留完好，无氧化杂质。

【电化学剥离机制】部分通过原位XRD发现三阶段演变：0.86V以下Li(PC)_n⁺大量插层→0.5-0.86V区间丙烯气体生成导致层间膨胀→0.01V重新出现左移的（002）峰。DEMS检测到0.86V附近的丙烯特征峰，FT-IR证实Li₂CO₃副产物生成，验证了PC电解质的分解路径。优化0.5-0.86V电压窗口可使回收率达93%，且分散液zeta电位达-40.4 mV，展现优异稳定性。

【界面性能调控】研究发现卤素终止显著改变MXene物性：Ti₃C₂Br₂功函数（3.74 eV）低于Ti₃C₂Cl₂（4.06 eV）和常规Ti₃C₂T_x（4.49 eV），接触角测试显示Br终止使疏水性提升至83°（Cl终止68°，F终止37°）。这些特性使其在固-液界面电子传输中具有独特优势。

【摩擦伏电器件应用】将MXene分散液作为TVNG界面润滑剂时，Ti₃C₂Br₂使器件输出电流提升至微安级（干态仅44 nA）。机理研究表明，卤素终止MXene既能通过固-液接触起电效应增强载流子激发，又可作为"可变电阻"调控界面传输。10,000次循环测试证实MXene润滑可有效减少GaN半导体表面磨损。

该研究建立了"插层-溶胀-剥离"的MXene制备新机制，通过精准调控电化学参数实现了卤素终止少层MXene的高效制备。所揭示的表面终止基团-电子结构-界面性能关联规律，不仅深化了对MXene本征物性的认识，更推动了其在摩擦伏电、柔性电子等领域的应用。特别是提出的气体分子辅助剥离策略，为其他二维材料（如TiS₂、TaS₂等）的制备提供了普适性方法。这项工作从基础研究到应用探索的全链条创新，标志着MXene研究从材料制备向功能化应用的重要跨越。