水分子竟把MXene“温柔剪”成公斤级单层大片
文章来源:原创 发布时间: 2026-05-28 浏览次数:

水分子竟把MXene“温柔剪”成公斤级单层大片


MXene因兼具金属级导电性、亲水表面和可调化学结构,被广泛用于柔性电子、储能器件、离子筛分膜和资源回收等领域。然而,MXene走向产业化长期受困于“质量—规模悖论”:高产量剥离通常依赖超声、剪切、冲击或空化等高能机械输入,虽然能获得较多单层片,却容易引入空位缺陷、氧化边缘和片层破碎,导致导电性、力学性能和膜分离性能下降。另一方面,温和剥离方法虽能保持较好结构完整性,但产率往往低于50%,规模通常停留在克级,难以满足宏观器件制造需求。多层MXene层间由范德华力、氢键和静电作用共同锁定,尤其是Li⁺插层后仍可能形成“阳离子桥”,使片层难以自发分离。因此,如何在不破坏晶格的前提下削弱层间相互作用,实现高质量、单层、大尺寸MXene的规模化制备,是该领域亟需突破的核心问题。


要点

1.提出“水介导剪切”实现公斤级单层MXene制备。研究通过调控层间Li⁺的溶剂化环境,使水分子将Li⁺由“静电桥”转化为Li⁺–H₂O氢键网络,从而屏蔽层间静电吸引并撑开MXene层间距。该策略实现了约84.6%的高剥离产率,获得横向尺寸超过10 µm的单层MXene纳米片,并可达到公斤级分散液制备。

2.用“温柔剥离”打破高产率与低缺陷的矛盾。相比超声空化、振荡和单纯剪切方法,水介导MXene保留了更大的片径、更完整的边缘和更低的晶格应变。GPA分析显示WS-MXene应变仅0.36%,显著低于CE-MXene的6.23%、OS-MXene的3.43%和SF-MXene的2.95%,证明其接近无缺陷、低应力的晶格状态。

3.从单层大片走向百米级膜和海水提锂。WS-MXene墨水具有良好剪切变稀行为,可用于书写、浸涂、挤出、丝网印刷和卷对卷涂布,制备超过100 m的连续膜。所得膜导电率约11000 S cm⁻¹,拉伸强度72.27 MPa,Li⁺/Mg²⁺理想选择性超过170,并在天然海水中实现约36%的单程直接锂提取率。



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图1. 展示水介导MXene剥离机制与规模化制备过程,说明水分子通过构建Li⁺–H₂O氢键网络将多层MXene逐步撑开,并实现5 mg mL⁻¹高浓度公斤级单层MXene分散液

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图2. 对比CE-MXene、OS-MXene、SF-MXene和WS-MXene的原子级结构,证明水介导策略可显著减少空位、杂质团簇和晶格应变,使WS-MXene应变低至0.36%

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图3. 阐明“水分子剪刀”的剥离机制,结合H₂O/Li⁺比例演化、DFT层间距计算、MD模拟和MeCN对照实验,证明Li⁺–H₂O氢键网络是自发层间扩张和高质量剥离的关键


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图4. 展示WS-MXene墨水的流变可加工性、卷对卷百米级制膜过程及膜性能,说明大尺寸无缺陷片层赋予膜高取向、高强度、高导电性、抗氧化稳定性和优异柔性


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图5. 展示WS-MXene膜的精准离子筛分与海水提锂应用,证明其在16.0 Å水合层间距下兼具快速Li⁺传输和强Mg²⁺排斥,并实现天然海水中约36%的直接锂提取


研究结论

本文解决了二维材料制造中长期存在的质量—规模悖论,证明MXene剥离并非单纯机械过程,而是可通过层间溶剂化化学进行精准调控的过程。研究通过构建饱和Li⁺–H₂O氢键网络,将层间Li⁺由“静电桥”转化为“水合楔”,实现缺陷少、片径大、单层MXene纳米片的公斤级温和剥离。该突破进一步支撑了百米级MXene膜的连续制备,并获得高度层状取向结构。由于晶格完整性和致密层间通道,所得膜在天然海水直接提锂中打破渗透率—选择性权衡,实现高Li⁺/Mg²⁺选择性和可观锂回收效率。该工作不仅建立了高质量MXene规模化合成的新标杆,也为二维材料在可持续资源开采、蓝色能源和工业级膜分离中的应用提供了可靠路径。

Yunfa Si, Zibo Chen, Zuhao Shi, Rui Tan*, Lun Li, Jiannan Guo, Anan Guo, Geng Wu, Bo Liu, Wei Qian, Haoran Zu, Rongguo Song, Qingjia Chi, Renxin Xu, Jinsong Wu, Jie Shen*, Daping He*. Advanced Materials, 0, e72943 (2026). 


https://doi.org/10.1002/adma.72943

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