武汉理工大学AM:水分子解锁 MXene 高质量规模化制备,从单层大片到海水提锂全链条打通

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       华南先进微纳纤维复合材料研究团队在《Advanced Materials》发表重磅研究，提出一种 “水介导剪切” 新策略，通过水分子调控层间溶剂化环境，实现了公斤级、低缺陷、大尺寸单层 MXene 的高效制备，产率高达 84.6%。该方法打破了传统工艺 “产量与质量不可兼得” 的困境，制备的 WS-MXene 晶格应变仅 0.36%，且可适配多种工业加工工艺，成功制备百米级连续薄膜。所得薄膜兼具超高导电性、力学性能与离子筛分能力，在天然海水中实现了 36% 的单程提锂效率，为 MXene 的规模化制备与产业化应用提供了全新的技术路径。

图1 | 水辅助剥离策略的机理与规模化制备

a) 水辅助剥离策略的示意图。b) 多层 MXene 在水化过程（0–12 h）中的扫描电镜（SEM）形貌演变，呈现逐步 “手风琴式” 膨胀的过程。c) 对应不同水化时间的 X 射线衍射（XRD）图谱。d) 典型大面积单层 MXene 纳米片的透射电镜（TEM）图像。e) 原子力显微镜（AFM）形貌图及高度曲线（插图），证实单层厚度约为 1.5 nm，且表面光滑。f) 高浓度 MXene 分散液（5 mg mL⁻¹）千克级制备的照片。g) 本研究（红星标记）与其他已报道方法制备的 MXene 纳米片，在制备规模与电导率上的对比。

图2 | MXene 纳米片的原子级结构表征

高分辨透射电镜（TEM）图像：a) CE-MXene、e) OS-MXene、i) SF-MXene、m) WS-MXene

原子级分辨率高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像：b) CE-MXene、f) OS-MXene、g) SF-MXene、n) WS-MXene

几何相位分析（GPA）应变场（E_xx）：c) CE-MXene、g) OS-MXene、k) SF-MXene、o) WS-MXene

应变分布直方图：d) CE-MXene、h) OS-MXene、l) SF-MXene、p) WS-MXene

图3 | 水辅助剥离机理的解析

a) MXene 层间 H₂O/Li⁺摩尔比随时间的演变。b) 所提出机理的示意图：水分子插层将 “桥连态” Li⁺转化为溶剂化团簇，扩大层间距并削弱层间相互作用。c) 密度泛函理论（DFT）计算得到的原始与水化 Li⁺插层 MXene（表面官能团为 - OH、-F）的晶格结构与晶面间距（d-spacing）。d) 分子动力学（MD）模拟在 3、10、100 皮秒（ps）时的快照，可视化 Li⁺-H₂O 团簇的自发形成过程。e) 计算得到的总势能（上图）与 Li⁺-H₂O 配位数（下图）随模拟时间的变化曲线。f、i) 分别在乙腈（MeCN）和水（H₂O）溶液中处理的多层 MXene 扫描电镜（SEM）图像。g、j) 分别在 MeCN 和 H₂O 溶液中剥离后的 MXene 纳米片 SEM 图像。h、k) 分别在 MeCN 和 H₂O 溶液中剥离后的纳米片高分辨透射电镜（HRTEM）图像及对应的逆快速傅里叶变换（IFFT）图像；IFFT 图像中的彩色模糊区域表示晶格缺陷。l) MeCN/H₂O 溶液中制备的 MXene 的产率与电导率（x、y 分别代表各组分的体积比）。

图4 | WS-MXene 薄膜的规模化制备与性能

a) 不同浓度 MXene 墨水的表观粘度随剪切速率的变化曲线。b) 储能模量 / 损耗模量（G'/G''）比值的频率依赖性曲线。c) 展示墨水加工适用性的照片：书写（15 mg mL⁻¹）、浸涂（5 mg mL⁻¹）、挤出（30 mg mL⁻¹）和丝网印刷（50 mg mL⁻¹）。d) 工业级卷对卷（R2R）制备过程：涂布（左）、隧道干燥（中），最终得到百米级 MXene 薄膜卷材（右）。e–h) 对比性能指标：广角 X 射线散射（WAXS）图谱、拉伸应力 - 应变曲线、电导率和氧化稳定性。WS-MXene 凭借优异的结构完整性，性能优于所有对照组（CE-、OS-、SF-）。i) 薄膜柔性展示：可承受弯曲、卷曲、折叠成扇形等复杂形变。右侧为截面扫描电镜（SEM）图像，显示薄膜致密无裂纹的结构。

图5 | 精准离子筛分与海水直接提锂

a) WS-MXene 薄膜在干态与湿态下的 XRD 图谱，显示其溶胀被控制在约 16.0 Å。b) 离子在 WS-MXene 薄膜中的透过率随时间变化曲线。原料液：0.2 M 盐溶液；透过液：去离子水。c) CE-、OS-、SF - 与 WS-MXene 薄膜的离子透过率对比。d) 不同 MXene 薄膜的离子透过选择性（误差棒由三次独立测量生成）。e) WS-MXene 薄膜在 Li⁺与 Mg²⁺传输过程中的长期稳定性。f) 已报道薄膜的 Li⁺透过率与 Li⁺/Mg²⁺选择性对比。虚线突出了透过率与选择性之间的 “权衡关系”（数据见表 S5）。g) 不同缺陷含量的 MXene 通道 DFT 模型（虚线圆圈表示 Ti 缺陷）。h) Li⁺与 Mg²⁺在 MXene 通道中的水化半径。i) 大面积薄膜上 30 个随机点的 Li⁺透过率、Mg²⁺透过率及 Li⁺/Mg²⁺选择性热图，证实了工业级均匀性。j) 真实海水的直接提锂过程。

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