二维（2D）结构可以通过显着增加表面积与体积比来显着改变材料性质和功能。超薄2D过渡金属碳化物（TMC）因其突出的电学、热学和催化性质引起了人们的极大兴趣。但由于缺乏成本有效的大规模制造方法，这种材料的商业化变得极其困难。臧浠凝博士及其合作者，在最近发表的论文中提出了一种具有普适性的基于激光的超薄过渡金属碳化物三维微纳结构加工方法。
与之前使用极高温度（高达1600 ℃）和氢氟酸的超薄2D-TMC合成方法相比，该文章展现了一种室温制造方法。作者将明胶（Jello甜点的主要成分）与过渡金属离子（Mo5+、W6+、Co2+）结合，自组装形成层状金属水凝胶。该凝胶可以旋涂在各种基材上。使用商业激光切割机将这些涂层碳化以产生厚度仅为几纳米的超薄TMC薄片。利用激光加工的局部高温，同步实现选择性的气化造孔及过渡金属碳化物成型（图1）。通过对前驱体过渡金属的选择和调节，可以制备多种碳化物结构（碳化钼、碳化钨、碳化钴等）。激光打印的3D多孔碳化钼壁厚可低至10-20纳米。3D微纳孔结构不仅提高了比表面积、渗透率，也提高了碳化物对可见光的吸收，在储能电极、光热吸收等应用中表现优异。激光打印的碳化钼具有良好的导电性和耐高低温性能，组装的超级电容器可提供-50~300 ℃的工作范围，超过了所有已经发表的储能器件工作温度范围记录。3D碳化物沉积的光热吸收薄膜在强辐照（11个模拟太阳，11 kW/m2）下，维持稳定。碳化物的耐高温、耐腐蚀等特点，将赋予功能结构一体化碳化物3D多孔结构在极端服役中的更广泛应用，如航空发动机中油气分离器、超高低温电池电容储能器件、耐辐照电子器件电极及封装结构等。该成果发表于Nature Communications。该论文发表后，即被编辑Jacilynn Brant在能源材料类专题（Energy Materials Focus）重点推荐（Highlight）。
图1. 激光雕刻的3D多孔超薄过渡金属碳化物层，用于储能和能量收集应用。（a）激光雕刻的超薄过渡金属碳化物（TMC）的示意图。螺旋聚合物明胶介导的过渡金属离子（金属-水凝胶）用于自组装层状结构，然后通过商业激光碳化以图案化具有25微米分辨率的“Cal”和“MIT”TMC。具有连接曲面的激光结构多孔MoCx的SEM。（b）在聚酰亚胺（PI）带上使用激光印刷的MoCx作为电极的超级电容器具有-50至300 ℃的操作温度范围。（c）使用碳化物膜产生太阳能蒸汽以产生太阳热能。激光烧蚀诱导的多孔结构增强了MoCx多孔结构的光吸收，因此大大提高了能量效率。
这项工作代表了具有独特2D架构的大规模、可控材料合成的一步。虽然需要进行更多研究以精确控制这些金属碳化物的孔径和厚度，但激光烧蚀技术的易用性和可扩展性为更先进的材料制造提供了有前途的解决方案，与3D打印或增材制造相竞争。
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Laser-sculptured ultrathin transition metal carbide layers for energy storage and energy harvesting applications
Xining Zang, Cuiying Jian, Taishan Zhu, Zheng Fan, Wanlin Wang, Minsong Wei, Buxuan Li, Mateo Follmar Diaz, Paul Ashby, Zhengmao Lu, Yao Chu, Zizhao Wang, Xinrui Ding, Yingxi Xie, Juhong Chen, J. Nathan Hohman, Mohan Sanghadasa, Jeffrey C. Grossman, Liwei Lin
Nat. Commun., 2019, 10, 3112, DOI: 10.1038/s41467-019-10999-z
来源：X-MOL
