“超級材料”的新代表，世界首個鋅MAX相材料在寧波材料所合成！
2019-06-11 17:03:01
作者：本網(wǎng)整理 來源：《浙江日報》《寧波日報》客戶端
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金屬容易導電，但不耐高溫和腐蝕陶瓷耐腐蝕，導電性卻遠不及金屬有沒有可能，集中金屬和陶瓷的優(yōu)點于一身？
什么是MAX相材料？
MAX相制作的材料有金屬光澤但和陶瓷一樣輕巧
一塊巴掌大的壓鑄餅狀塊體，如陶瓷般輕巧，又帶有金屬般的光澤。這種看似普通的材料，具有密度更低、穩(wěn)定性更高、剛度更高的優(yōu)勢，被認為是下一輪“超級材料”的新代表。
上世紀60年代，科學家們發(fā)現(xiàn)了一類具有特殊功能的層狀陶瓷材料，因其由元素周期表上的M、A、X三類元素構(gòu)成，統(tǒng)稱為“MAX相 ”， 獨特的納米層狀晶體結(jié)構(gòu)使其兼?zhèn)浣饘俸吞沾傻男阅埽邔щ娦浴⒛透邷亍⒖寡趸⒛洼椛淠透g……但由于制備等方面的技術(shù)限制，該類材料一直沒有得到更大范圍的認知與應用。
而近日，中科院寧波材料所相關(guān)科研成果發(fā)表在知名國際化學期刊Journal of the American Chemical Society上，引起了業(yè)界高度關(guān)注。
寧波材料所制備的MAX相材料粉末
突破制備難題
過去，這種材料的合成一直是一大全球性難題。如今在中科院寧波材料所的技術(shù)突破下，MAX相材料的“家族成員”正不斷擴充，性能不斷突破，將在催化、儲能、國防等多領(lǐng)域“大展拳腳”。
“通過MXene綠色制備技術(shù)，我們在世界上首次合成了包括鋅在內(nèi)的多種MAX相材料，并實現(xiàn)了量產(chǎn)。這些曾被業(yè)界稱作‘不可能合成的材料’，正在寧波材料所被我們逐個擊破。”團隊負責人黃慶研究員告訴采訪記者。
MAX相是一種人工合成的材料，M代表前過渡金屬元素；A代表ⅢA和ⅣA主族元素；X代表碳或氮。某種程度上，MAX相跟石墨烯有些像。
“它們都是層狀結(jié)構(gòu)，石墨烯由一個個碳原子均勻排列構(gòu)成，MAX的空間群與之類似。”中科院寧波材料所黃慶研究員介紹，“與石墨烯不同的是，MAX相是由密堆的M6X八面體層和A原子層交互迭排組成。”
結(jié)構(gòu)決定性能。獨特的納米層狀晶體結(jié)構(gòu)使MAX相兼?zhèn)浣饘俸吞沾傻膬?yōu)良性能，如高導電性、耐高溫、抗氧化、耐輻射腐蝕，等等。 正是看到該類材料在眾多領(lǐng)域的應用前景，1996年之后，這類材料相關(guān)研究在日本、歐洲和中國廣泛開展。
這類的材料的制備一直是個難題。“通俗來說，過去主要就是像和面一樣，把M、A、X三類原材料放在一起‘燒’，但是因為自然界的元素間往往存在某種‘競爭’關(guān)系，導致人工‘燒’出來的這類材料種類很少，品質(zhì)也不高。”黃慶介紹。
“我們采用了全新的A位原子精確置換的合成策略。”黃慶告訴記者，“簡單來說，我們先把M和X兩種材料的‘骨架’搭好，然后通過某種方法，進行原子晶格位的精確置換，把我們想要的具有某種功能的A原子放進去。”
黃慶研究員接受采訪介紹MAX相材料
據(jù)介紹，這種方法不但在思路上完全超越了傳統(tǒng)方法，而且能夠以非常環(huán)保的方式進一步應用于制備其二維衍生物材料MXene。“傳統(tǒng)方法一般要用到高毒性的氟化物，我們用的是生活中常見的氯化鈉、氯化鉀，整個過程十分高效、安全、綠色。”
創(chuàng)新的制備方法、靈活的A位調(diào)控，還有望讓MAX相材料從單純傳統(tǒng)的高溫結(jié)構(gòu)應用拓展至高端的先進功能應用。
“比如金，眾所周知，小顆粒的金有較高的催化活性，如果我們把金原子精確置換到MAX相中，這種材料就成了很好的催化劑。”
以前我們“借東西”研究，現(xiàn)在是別人找我們
今年是元素周期表發(fā)明150周年。在MAX相這個一度十分小眾的領(lǐng)域，黃慶和同事們將周期表上的元素進行巧妙排列組合，收獲了令世界矚目的進展。
近期，該團隊將上述對MAX的研究發(fā)表在國際著名化學期刊Journal of the American Chemical Society上， 引起業(yè)界關(guān)注。
相比學術(shù)上的肯定，更讓黃慶在意的，是其他國家的相關(guān)科研團隊對該成果的態(tài)度。
黃慶告訴記者，目前，他們正在跟一個法國的團隊洽談合作，美國第一個發(fā)現(xiàn)MAX相儲能性質(zhì)的團隊，也很有興趣合作。
“這樣的情形可不多見，代表我們的自主創(chuàng)新又有了一個質(zhì)的飛躍。”黃慶比喻道，“以前我們是被動的‘敲門借東西’研究 ，現(xiàn)在是別人主動找我們。這證明在材料學研究領(lǐng)域，我們并不一定要依賴別人。”
這種新材料的潛在應用何在？
“高鐵上方接觸高壓電線的電弓上，用的就是MAX相材料。”黃慶說。這種材料不僅導電性好，而且耐摩擦，耐氧化，在列車高速行駛、急停進站時也不會造成‘火花帶閃電’的效果，極大地保證了列車安全。
★ 其實，電弓上使用的還僅僅是傳統(tǒng)的MAX材料，只發(fā)揮了其優(yōu)良性能的冰山一角。
“我一開始研究的核工業(yè)材料，多年前，福島核泄漏，全世界都在關(guān)注結(jié)構(gòu)材料的安全性。一個偶然的機會，我們發(fā)現(xiàn)MAX相材料的應用很豐富，很有前景，但當時條件很有限，一方面這種材料很難獲取，另一方面，MAX相的材料學體系主要由外國人主導，我們?nèi)パ芯浚瑫龅讲簧賹＠葳濉Ｎ耶敃r就覺得，咱們必須做出自己的東西來。”
帶著這股不服輸?shù)膭牛S慶和同事們一干就是好幾年。“實驗室制備只是第一步，現(xiàn)在，我們?nèi)栽诮獯a這類材料的各種性能，未來會將這些新材料一個一個地推出去。”
材料研究引領(lǐng)材料應用。由于MAX相材料的外層電子比石墨烯單純的碳更豐富，這就決定了這種材料的性質(zhì)更加多元，未來的應用前景，或許會比石墨烯更加廣闊。
“在儲能、催化、超導等領(lǐng)域，MAX相已經(jīng)向世人展現(xiàn)了巨大的想象空間，接下來這幾年，也許會有不少具體應用落地。”黃慶表示 。
目前，美國、瑞士、法國等全球各地的頂尖科研團隊都向團隊表達了合作意向，力求在新的制備方式下，實現(xiàn)更多應用突破。
★ 目前黃慶團隊已和美國團隊合作，將鋅MAX相材料用于新能源汽車、手機等的儲能設(shè)備中，根據(jù)測評數(shù)據(jù)來看將大大提升續(xù)航，并大幅減輕儲能系統(tǒng)自重。
★ 將金原子嵌入到MAX相材料結(jié)構(gòu)中，還能實現(xiàn)強催化、耐氧化、耐酸堿等性能，甚至“復制”出生物酶的催化作用，在各大化工中大顯身手。
★ 該類材料還具有極佳的事故容錯能力，在壓水堆核燃料包殼涂層、釷基熔鹽堆和加速器驅(qū)動新能源系統(tǒng)等國家重大工程可望得到應用……團隊儲備的大量先進技術(shù)，正在逐漸從實驗室走向量產(chǎn)階段，而這些材料的性能也在不斷開發(fā)中，市場前景廣泛。
黃慶在采訪中表示“這是寧波材料所首次完完全全在基礎(chǔ)研究到制備方法‘從0到1’的材料合成，所有關(guān)鍵技術(shù)都將由我們一手掌握。隨著裝備高端化、小型化、集約化進程，全球?qū)τ贛AX相材料的需求量必將爆發(fā)式增長。MAX相材料的春天才剛剛來臨。”
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責任編輯：韓鑫
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