焦耳加热熔盐蚀刻法制备Ti3C2 MXene：一种高效节能的二维材料合成新策略

（编辑推荐）本研究开创性地采用焦耳加热（Joule heating）结合熔盐蚀刻技术，在惰性环境中仅需30分钟即可将Ti3AlC2 MAX相转化为多层Ti3C2Tx MXene，较传统方法缩短98%时间并降低93%能耗（1.01×106 J g-1）。通过SEM/EDS、XRD、XPS等多维度表征证实材料成功蚀刻，为MXene的规模化生产提供绿色新范式。

　　

引言

当前MXene合成领域面临安全性与规模化挑战。这类由MAX相（M_n+1AX_n）经A层蚀刻得到的二维材料，传统方法需使用浓氢氟酸（HF）或LiF-HCl混合液（MILD法）处理40小时以上，存在强腐蚀性和高能耗问题。熔盐蚀刻虽能避免强酸，但仍需24小时炉内加热（1.56×10⁷ J g^-1）。焦耳加热技术通过导电材料（如多壁碳纳米管MWCNT）的电阻热效应，为快速、节能的"非炉式"合成提供新思路。

结果与讨论

创新实验设计：将Ti₃AlC₂/CuCl₂混合压片包裹于MWCNT织物中，通入电流使其在氩气环境下30分钟内升温至750-800°C。APS洗涤后，SEM显示典型的"手风琴状"多层结构，EDS证实铝含量降至1.2%±0.5%。TEM观察到≈1μm横向尺寸的片层结构，高分辨图像显示0.205nm晶格间距，SAED衍射图验证了Ti₃C₂T_x的六方晶系特征。

多维表征对比：XRD显示（002）峰从9°偏移至8.17°，层间距增至10.81?，与酸蚀法样品（11.43?）接近。XPS检测到Ti2p、C1s等特征峰，FTIR谱中879cm^-1（Ti-Cl）和597cm^-1（Ti-O）键位证实表面基团形成。拉曼光谱在351cm^-1（A_1g）和807cm^-1（C振动）处的特征峰，表明尽管焦耳加热样品存在TiC/TiO₂杂相（XRD显示），但其核心MXene化学结构得以保留。

能效突破：相较于传统熔盐蚀刻，新方法将单位批次能耗从19.2kWh降至1.3kWh，同时避免使用HF等危险试剂。粒径分析显示焦耳加热产物平均尺寸4.92μm（酸蚀法为6.85μm），更小的颗粒尺寸有利于后续剥离应用。

结论

这项研究通过焦耳加热-熔盐蚀刻协同策略，将MXene合成时间压缩至半小时级，能耗降低一个数量级。材料表征证实其结构与性能与传统方法产物相当，为MXene的商业化生产扫清了时间与安全壁垒。未来可通过优化电流参数和盐组分比例，进一步提升产物纯度和结晶度。

实验方法

核心合成：按1:2质量比混合Ti₃AlC₂与CuCl₂，添加NaCl/KCl助熔剂压片，MWCNT包裹后通入15A电流实现快速升温。对比组采用MILD法（LiF+HCl，40°C/40h）。表征体系包含Quanta 600 SEM（5-20kV）、Bruker D8 XRD（CuKα源）、Argus XPS（284.8eV碳标定）等，数据经CasaXPS软件解析。