“超级材料”的新代表，世界首个锌MAX相材料在宁波材料所合成！

2019-06-11 17:03:01 作者：本网整理来源：《浙江日报》《宁波日报》客户端分享至：

金属容易导电，但不耐高温和腐蚀陶瓷耐腐蚀，导电性却远不及金属有没有可能，集中金属和陶瓷的优点于一身？

什么是MAX相材料？

MAX相制作的材料有金属光泽但和陶瓷一样轻巧

一块巴掌大的压铸饼状块体，如陶瓷般轻巧，又带有金属般的光泽。这种看似普通的材料，具有密度更低、稳定性更高、刚度更高的优势，被认为是下一轮“超级材料”的新代表。

上世纪60年代，科学家们发现了一类具有特殊功能的层状陶瓷材料，因其由元素周期表上的M、A、X三类元素构成，统称为“MAX相 ”，独特的纳米层状晶体结构使其兼备金属和陶瓷的性能，高导电性、耐高温、抗氧化、耐辐射耐腐蚀……但由于制备等方面的技术限制，该类材料一直没有得到更大范围的认知与应用。

而近日，中科院宁波材料所相关科研成果发表在知名国际化学期刊Journal of the American Chemical Society上，引起了业界高度关注。

宁波材料所制备的MAX相材料粉末

突破制备难题

过去，这种材料的合成一直是一大全球性难题。如今在中科院宁波材料所的技术突破下，MAX相材料的“家族成员”正不断扩充，性能不断突破，将在催化、储能、国防等多领域“大展拳脚”。

“通过MXene绿色制备技术，我们在世界上首次合成了包括锌在内的多种MAX相材料，并实现了量产。这些曾被业界称作‘不可能合成的材料’，正在宁波材料所被我们逐个击破。”团队负责人黄庆研究员告诉采访记者。

MAX相是一种人工合成的材料，M代表前过渡金属元素；A代表ⅢA和ⅣA主族元素；X代表碳或氮。某种程度上，MAX相跟石墨烯有些像。

“它们都是层状结构，石墨烯由一个个碳原子均匀排列构成，MAX的空间群与之类似。”中科院宁波材料所黄庆研究员介绍，“与石墨烯不同的是，MAX相是由密堆的M6X八面体层和A原子层交互迭排组成。”

结构决定性能。独特的纳米层状晶体结构使MAX相兼备金属和陶瓷的优良性能，如高导电性、耐高温、抗氧化、耐辐射腐蚀，等等。正是看到该类材料在众多领域的应用前景，1996年之后，这类材料相关研究在日本、欧洲和中国广泛开展。

这类的材料的制备一直是个难题。“通俗来说，过去主要就是像和面一样，把M、A、X三类原材料放在一起‘烧’，但是因为自然界的元素间往往存在某种‘竞争’关系，导致人工‘烧’出来的这类材料种类很少，品质也不高。”黄庆介绍。

“我们采用了全新的A位原子精确置换的合成策略。”黄庆告诉记者，“简单来说，我们先把M和X两种材料的‘骨架’搭好，然后通过某种方法，进行原子晶格位的精确置换，把我们想要的具有某种功能的A原子放进去。”

黄庆研究员接受采访介绍MAX相材料

据介绍，这种方法不但在思路上完全超越了传统方法，而且能够以非常环保的方式进一步应用于制备其二维衍生物材料MXene。“传统方法一般要用到高毒性的氟化物，我们用的是生活中常见的氯化钠、氯化钾，整个过程十分高效、安全、绿色。”

创新的制备方法、灵活的A位调控，还有望让MAX相材料从单纯传统的高温结构应用拓展至高端的先进功能应用。

“比如金，众所周知，小颗粒的金有较高的催化活性，如果我们把金原子精确置换到MAX相中，这种材料就成了很好的催化剂。”

以前我们“借东西”研究，现在是别人找我们

今年是元素周期表发明150周年。在MAX相这个一度十分小众的领域，黄庆和同事们将周期表上的元素进行巧妙排列组合，收获了令世界瞩目的进展。

近期，该团队将上述对MAX的研究发表在国际着名化学期刊Journal of the American Chemical Society上，引起业界关注。

相比学术上的肯定，更让黄庆在意的，是其他国家的相关科研团队对该成果的态度。

黄庆告诉记者，目前，他们正在跟一个法国的团队洽谈合作，美国第一个发现MAX相储能性质的团队，也很有兴趣合作。

“这样的情形可不多见，代表我们的自主创新又有了一个质的飞跃。”黄庆比喻道，“以前我们是被动的‘敲门借东西’研究，现在是别人主动找我们。这证明在材料学研究领域，我们并不一定要依赖别人。”

这种新材料的潜在应用何在？

“高铁上方接触高压电线的电弓上，用的就是MAX相材料。”黄庆说。这种材料不仅导电性好，而且耐摩擦，耐氧化，在列车高速行驶、急停进站时也不会造成‘火花带闪电’的效果，极大地保证了列车安全。

★ 其实，电弓上使用的还仅仅是传统的MAX材料，只发挥了其优良性能的冰山一角。

“我一开始研究的核工业材料，多年前，福岛核泄漏，全世界都在关注结构材料的安全性。一个偶然的机会，我们发现MAX相材料的应用很丰富，很有前景，但当时条件很有限，一方面这种材料很难获取，另一方面，MAX相的材料学体系主要由外国人主导，我们去研究，会碰到不少专利陷阱。我当时就觉得，咱们必须做出自己的东西来。”

带着这股不服输的劲，黄庆和同事们一干就是好几年。“实验室制备只是第一步，现在，我们仍在解码这类材料的各种性能，未来会将这些新材料一个一个地推出去。”

材料研究引领材料应用。由于MAX相材料的外层电子比石墨烯单纯的碳更丰富，这就决定了这种材料的性质更加多元，未来的应用前景，或许会比石墨烯更加广阔。

“在储能、催化、超导等领域，MAX相已经向世人展现了巨大的想象空间，接下来这几年，也许会有不少具体应用落地。”黄庆表示。

目前，美国、瑞士、法国等全球各地的顶尖科研团队都向团队表达了合作意向，力求在新的制备方式下，实现更多应用突破。

★ 目前黄庆团队已和美国团队合作，将锌MAX相材料用于新能源汽车、手机等的储能设备中，根据测评数据来看将大大提升续航，并大幅减轻储能系统自重。

★ 将金原子嵌入到MAX相材料结构中，还能实现强催化、耐氧化、耐酸碱等性能，甚至“复制”出生物酶的催化作用，在各大化工中大显身手。

★ 该类材料还具有极佳的事故容错能力，在压水堆核燃料包壳涂层、钍基熔盐堆和加速器驱动新能源系统等国家重大工程可望得到应用……团队储备的大量先进技术，正在逐渐从实验室走向量产阶段，而这些材料的性能也在不断开发中，市场前景广泛。

黄庆在采访中表示“这是宁波材料所首次完完全全在基础研究到制备方法‘从0到1’的材料合成，所有关键技术都将由我们一手掌握。随着装备高端化、小型化、集约化进程，全球对于MAX相材料的需求量必将爆发式增长。MAX相材料的春天才刚刚来临。”

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责任编辑：韩鑫

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