快速可扩展燃烧合成(Mo2/3Y1/3)2AlC i-MAX及其空位有序MXene衍生物的高效制备与应用探索

本刊推荐：为解决MXene材料规模化生产中的能耗高、周期长等问题，研究人员开展了基于自蔓延高温合成(SHS)技术快速制备(Mo2/3Y1/3)2AlC i-MAX相的研究。通过引入铝钇中间合金和聚四氟乙烯促进剂，在一分钟内实现73.6%产率的i-MAX合成，并成功转化为空位有序Mo4/3CTx MXene，产率较传统方法提高两倍。该工作为MAX/MXene材料的绿色规模化生产提供了新范式。

　　

在材料科学飞速发展的今天，二维材料家族的新成员——MXene材料正掀起一场科研与应用的革命。这些由过渡金属碳化物或氮化物构成的二维片层材料，自2011年被发现以来，就以其独特的物理化学性质征服了科研界。从高效能源存储到清洁能源制备，从电磁屏蔽到生物医学应用，MXene材料展现出了令人惊叹的多功能性。然而，在这片繁荣的背后，却隐藏着一个制约其走向大规模商业化应用的关键瓶颈——母体MAX相材料的合成难题。

传统MAX相材料的制备通常需要经历漫长的高温固相反应过程，耗时长达数十小时，能耗巨大，且产量有限。这种低效的合成方式如同一条狭窄的通道，严重限制了MXene材料的规模化生产之路。更令人遗憾的是，近年来出现的化学有序MAX相（包括i-MAX和o-MAX相）虽然能够衍生出具有空位有序结构的MXene材料，展现出更优异的性能，但其合成条件更为苛刻，进一步加大了规模化生产的难度。以(Mo_2/3Y_1/3)₂AlC i-MAX相为例，传统方法需要1500°C下持续加热10小时，且产率仅有40%左右。这种状况促使研究人员开始思考：能否开发一种既快速又高效的合成方法，打破MAX相材料合成的桎梏？

针对这一挑战，由Ali Saffar Shamshirgar、Roman Ivanov、Johanna Rosen等来自瑞典林雪平大学的研究人员组成的研究团队，提出了一种创新性的解决方案——自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis, SHS)技术。这种基于燃烧波自我传播的合成方法，能够在极短时间内完成反应过程，且不需要持续的外部能量输入，具有能耗低、效率高、易放大的显著优势。

研究人员采用了两种不同的合成策略：一种是基于元素粉末的[Y]路线，直接使用钇、钼、铝等元素粉末作为原料；另一种则是创新的[Al-Y]路线，使用铝钇中间合金(AlY_2.3)替代单一金属粉末。为了激发和维持自蔓延反应，研究团队还引入了聚四氟乙烯(Poly(tetrafluoroethylene), (C₂F₄)_n)作为反应促进剂，通过其分解产生的氟化物中间体来增强反应活性和放热效应。

在材料制备与表征方面，研究团队运用了多种先进技术手段。通过高分辨率扫描透射电子显微镜(HRSTEM)和X射线衍射(XRD)相结合的方法，深入解析了i-MAX相的晶体结构和原子排列特征。采用热重-差示扫描量热联用技术(TG-DSC)和高速温度扫描仪(HSTS)对反应过程的热力学和动力学行为进行了系统研究。利用Rietveld精修方法对合成产物的相组成进行定量分析，准确评估了目标产物的产率和杂质含量。

研究结果令人振奋。在反应设计方面，团队通过热力学计算确定了自蔓延反应可行的临界条件，发现使用氧化物前驱体的路线虽然绝热温度可达2400K，但由于氧化钇形成焓极低，难以被还原，无法得到目标i-MAX相。而元素粉末路线在没有促进剂的情况下绝热温度仅为950K，无法自维持。只有引入(C₂F₄)_n促进剂后，绝热温度提升至1280-1425K，成功实现了自蔓延反应。

在两种合成路线的对比研究中，[Y]路线虽然能够实现自蔓延合成，但由于钇与氟化物中间体的强烈反应，主要生成YF₃杂质相，严重影响了i-MAX的产率。而[Al-Y]路线则通过使用铝钇中间合金，巧妙地将反应导向生成气态AlF₃的方向，显著减少了YF₃的形成。中间合金的使用还带来了三个额外优势：可通过球磨获得均匀的粉末粒度；机械活化增加了反应放热；相变过程中释放的混合热进一步支持了自蔓延过程。

通过优化反应参数，研究团队在[Al-Y]路线中获得了73.6%的i-MAX产率，主要杂质为Mo₃Al₂C和少量YF₃。结构表征证实合成的(Mo_2/3Y_1/3)₂AlC具有单斜C2/c对称性，晶格参数a、b、c分别为9.53、5.51和14.05?，β角为103.55608°，与传统方法合成的样品高度一致。高分辨电镜图像清晰展示了面内有序的Mo和Y原子排列，以及Y原子向Al层方向偏移的特征结构。

最令人印象深刻的是，研究团队成功将SHS合成的i-MAX相转化为空位有序的Mo_4/3CT_x MXene材料。通过氢氟酸蚀刻和四丁基氢氧化铵插层剥离，获得了稳定的胶体悬浮液，浓度达7.5mg/mL。从1克i-MAX相中可得到300毫克MXene，总体产率约40%，是传统方法的两倍。结构分析显示蚀刻后c轴晶格参数从14.05?增加到17.8?，证实了Al层的去除和表面官能团的引入。XPS分析确定化学组成为Mo_1.2Y_0.03CO_0.8(OH)_0.7F_0.5·0.1H₂O，与传统方法制备的样品相当。

这项研究的成功不仅在于开发了一种高效的i-MAX相合成方法，更在于为整个MAX/MXene材料家族的规模化生产提供了全新的思路。自蔓延高温合成技术的一分钟反应时间与传统方法的十小时形成鲜明对比，能耗的大幅降低和产率的显著提高，使得MXene材料的商业化应用看到了真正的曙光。铝钇中间合金和聚四氟乙烯促进剂的创新使用，为解决类似材料合成中的热力学和动力学限制提供了宝贵经验。

研究的深远意义还体现在多个方面：该方法可推广至其他MAX和i-MAX相的合成，具有广泛的适用性；为空位有序MXene材料的性能研究和应用开发提供了充足的原料保障；为二维材料的高效合成提供了新范式，可能启发其他材料体系的合成方法创新。随着全球对绿色制造和可持续发展的日益重视，这种低能耗、高效率的合成技术必将受到越来越广泛的关注和应用。

这项发表于《Journal of Materials Science》的研究工作，如同一把钥匙，打开了MXene材料规模化生产的大门。它不仅解决了材料合成中的具体技术难题，更展示了一种将基础研究与实际应用紧密结合的成功范例。在材料科学日益追求绿色、高效、可持续的今天，这项工作无疑为我们指明了前进的方向，也为未来二维材料的研究与应用注入了新的活力。随着技术的不断完善和推广，我们有理由相信，MXene材料将在不久的将来真正走向产业化，为人类社会的科技进步和可持续发展做出重要贡献。