熔鹽法制備三元層狀MAX相陶瓷的研究進(jìn)展

張 斌，胡前庫(kù)，李丹丹，王李波，周愛國(guó)

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 454000)

0 引 言

20世紀(jì)60年代，Nowotny等[1]首先合成了一些三元過渡金屬碳化物或氮化物，并將這些具有密排六方結(jié)構(gòu)的化合物統(tǒng)稱為H相。21世紀(jì)初，Barsoum[2]在其綜述中將該化合物命名為Mn+1AXn相，簡(jiǎn)稱為MAX相，其中，M為早期過渡金屬，A為Ⅲ、Ⅳ主族元素，X為碳或氮[3-4]。目前，已實(shí)驗(yàn)合成出80余種MAX相[5]。

MAX相材料具有類似的層狀晶體結(jié)構(gòu)，屬于六方晶系，P63/mmc空間群。根據(jù)化學(xué)式Mn+1AXn中n值的不同，可以將MAX相分為211相、312相、413相等，其晶體結(jié)構(gòu)如圖1[6]所示。X原子位于M原子緊密堆積所形成的八面體空隙中，A層原子則位于兩個(gè)相鄰的M6X層中間。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，MAX相原子間結(jié)合力也有所不同，其中M和X原子間以鍵能較強(qiáng)的共價(jià)鍵和離子鍵相鍵合；M和A原子間則以鍵能較弱的共價(jià)鍵和金屬鍵鍵合。由于MAX相結(jié)構(gòu)以及原子間成鍵特性，使得MAX相材料兼具金屬與陶瓷的多種優(yōu)勢(shì)[7-9]，例如具有可加工性、導(dǎo)電性、耐熱沖擊性和耐損傷性，并且具有相對(duì)較低的熱膨脹系數(shù)。大多數(shù)MAX相具有較高的彈性模量、高溫強(qiáng)度以及抗氧化和抗腐蝕性能[10-14]，使得MAX相在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊[15-17]。通過去除MAX相中A元素，MAX相還可以選擇性被刻蝕為二維材料MXene[18]。同時(shí)，由于計(jì)算材料學(xué)的發(fā)展，越來越多的MAX相通過計(jì)算的方式被發(fā)現(xiàn)[19-21]。但理論計(jì)算上可行的物質(zhì)通過實(shí)驗(yàn)室合成并不容易，所以如何實(shí)驗(yàn)合成計(jì)算所預(yù)測(cè)的穩(wěn)定MAX相，成為材料科學(xué)工作者的研究方向之一。

圖1 MAX相晶體結(jié)構(gòu)圖[6]Fig.1 Crystal structures of MAX phases[6]

從1960年合成最初的MAX相到現(xiàn)在，制備MAX相的各種方法層出不窮，如熱壓燒結(jié)[22]、無(wú)壓燒結(jié)[23]、放電等離子燒結(jié)[24]、熱等靜壓燒結(jié)[25]以及磁控濺射[26]、自蔓延高溫合成[27-28]、高能球磨[29]、微波合成[30]等方法。這些傳統(tǒng)的合成方法都有一定的局限性，如反應(yīng)溫度較高、合成時(shí)間過長(zhǎng)、合成樣品較少，且大部分無(wú)法直接一步制備所需MAX相。近些年來，科學(xué)工作者不斷對(duì)熔鹽法進(jìn)行改進(jìn)，熔鹽法合成MAX相的相關(guān)文獻(xiàn)越來越多。本文對(duì)近幾年發(fā)表的熔鹽合成MAX相的文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)并對(duì)比分析，以期為未來MAX新相的合成提供參考。

1 傳統(tǒng)熔鹽法合成MAX相

熔鹽法是將反應(yīng)原料和熔點(diǎn)較低的無(wú)機(jī)鹽充分混合后加熱進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)溫度升高，熔點(diǎn)較低的鹽熔化作為反應(yīng)溶劑，為合成提供了液相環(huán)境，合成過程由固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐合喾磻?yīng)，原料間接觸面積增大，反應(yīng)在原子尺度進(jìn)行。因此和傳統(tǒng)合成方法比較，反應(yīng)進(jìn)行的更加完全，產(chǎn)物微觀形貌更好，同時(shí)所制得產(chǎn)物的純度更高。熔鹽法在合成氧化物陶瓷粉體方面應(yīng)用較早。但在MAX相合成方面，一直到2008年，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的Tian等[31]采用熔鹽法首次合成了MAX相Cr2AlC，但此時(shí)的熔鹽法無(wú)法保證樣品在高溫下不被氧化，合成需要在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。圖2以Ti3AlC2MAX相為例說明了熔鹽法合成MAX相的實(shí)驗(yàn)流程。由于合成流程比較復(fù)雜，因此該方法在早期合成MAX相中的應(yīng)用并不廣泛。

圖2 熔鹽法通過Ti2AlC-TiC混合物合成Ti3AlC2 MAX相流程圖[32]Fig.2 Schematic flow of the NaCl-assisted synthesis process for Ti3AlC2 MAX from a Ti2AlC-TiC mixture[32]

近幾年來，一些傳統(tǒng)的MAX相如Ti3SiC2[34]、V2AlC[33]、Ti2AlC[35]和Ti3AlC2[32]等都通過熔鹽法被成功合成。2017年本課題組通過傳統(tǒng)熔鹽法合成V2AlC MAX相并研究了其抗氧化性能[33]，闡述了V2AlC在空氣中氧化的三個(gè)階段，其SEM照片如圖3所示。從圖3(a)可以看出，所合成的V2AlC相呈現(xiàn)典型的MAX相層狀堆垛形態(tài)。在400 ℃以下，V2AlC不會(huì)被氧化；溫度升高到650 ℃時(shí)，V2AlC被氧化為V2O5和Al2O3。

圖3 V2AlC粉末和在不同溫度下氧化1 h后的SEM照片[33]Fig.3 SEM images of V2AlC and oxidized V2AlC powders at different temperatures[33]

除合成傳統(tǒng)MAX相外，Zhong等[36]在2021年通過用廉價(jià)原料AlV5、Al8V5，在較低溫度下，用熔鹽法成功制備出V2AlC和V4AlC3MAX相，并探究了該反應(yīng)的機(jī)理，其反應(yīng)方程式如式(1)、(2)所示。該成果大幅降低了合成成本，對(duì)MAX相的低能耗高產(chǎn)量合成有著重要意義。

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2021年，Li等[37-38]通過熔鹽法成功合成了MAX新相Sc2SnC和V2SnC，將稀土族元素引入到MAX相中，擴(kuò)大了MAX相家族元素的選擇范圍，有利于MAX新相的發(fā)現(xiàn)和合成。同時(shí)，所合成的MAX新相V2SnC具有優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能，作為陽(yáng)極材料，V2SnC的最大鋰存儲(chǔ)容量達(dá)490 mAh·g-1，是目前已知容量最高的MAX相陽(yáng)極。

相對(duì)于普通燒結(jié)，熔鹽法在通入氬氣的同時(shí)需要混合熔鹽并洗去熔鹽，步驟較多。但是熔鹽法的優(yōu)勢(shì)在于其可以顯著降低合成溫度，且獲得的產(chǎn)物形貌更好、純度更高。因此，熔鹽法在MAX相的合成中愈發(fā)重要。

2 熔鹽屏蔽法合成MAX相

2019年，Dash團(tuán)隊(duì)[39-40]改進(jìn)傳統(tǒng)熔鹽法，在空氣環(huán)境下，成功合成了Ti2AlN[39]和Ti3SiC2[39-40]MAX相材料，并將該方法命名為MS3。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示，使用在室溫下具有延展性的鹵化鉀作為熔鹽，按照一定的比例，將原料與熔鹽充分混合后干燥。通過200 MPa冷壓以及300 MPa等靜壓，將混合好的樣品封裝在致密的鹵化鉀塊體中。隨后將致密的塊體放入內(nèi)部鋪滿鹵化鉀鹽床的坩堝中，并用鹵化鉀沒過致密塊體，便可以加熱開始反應(yīng)。由于壓制好的原料坯在反應(yīng)溫度下的密度大于已經(jīng)處于熔融狀態(tài)下的鹵化鉀鹽，因此原料坯在反應(yīng)時(shí)位于熔融鹵化鉀鹽的底部，受鹵化鉀鹽保護(hù)從而不被氧化。在反應(yīng)完成后，將反應(yīng)產(chǎn)物用水洗滌，除去鹵化鉀，即可得到所需樣品。

圖4 MS3法合成MAX相的流程圖[39]Fig.4 Schematic flow of the MS3 process for MAX synthesis[39]

MS3法在MAX相合成上的應(yīng)用越來越廣泛。Badie等[41]通過MS3法在空氣氣氛下合成了純度較高的Ti2AlC MAX相。Roy等[42]改進(jìn)了MS3法，使用低熔點(diǎn)鹽的混合物NaCl+KCl(熔點(diǎn)657 ℃)作為熔鹽，不再對(duì)原料進(jìn)行封裝，而是將處理好的原料直接置于坩堝底部，并用準(zhǔn)備好的混合鹽覆蓋。在較低溫度下，于空氣氣氛中合成出了較高純度的Ti2AlN和V2AlC MAX相，該方法在進(jìn)一步簡(jiǎn)化了操作的同時(shí)，獲得了更高純度的反應(yīng)產(chǎn)物。2021年，Tobias Placke團(tuán)隊(duì)[43]使用MS3法成功合成了純度分別為91%、94%的公斤級(jí)的Ti2AlC和Ti3AlC2MAX相，從而使批量MAX相的合成成為現(xiàn)實(shí)。

MS3方法的優(yōu)勢(shì)在于：(1)可一次性批量合成樣品，且所合成產(chǎn)物通過洗滌即可得到粉末狀樣品，省去了傳統(tǒng)MAX相合成后研磨破碎的過程，將MAX相的一次合成量從克級(jí)提升到了千克級(jí)；(2)在高溫時(shí)由于有鹽床熔化保護(hù)，樣品不與氧氣接觸，因此該方法不需要通入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)；(3)將傳統(tǒng)合成MAX相的方式由固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變成了在熔鹽中的液相反應(yīng)，降低了反應(yīng)所需溫度；(4)所使用的鹵化鉀鹽可以通過洗滌干燥進(jìn)行回收再利用。上述優(yōu)勢(shì)使得MS3方法成為未來批量合成MAX相的重要方法。

3 路易斯酸鹽法置換合成MAX相

2019年，Li等[44]創(chuàng)造性地將ZnCl2分別混入MAX相Ti3AlC2、Ti2AlN、Ti2AlC與V2AlC中，加熱到550 ℃進(jìn)行反應(yīng)。熔融的路易斯酸鹽ZnCl2與MAX相進(jìn)行A元素置換反應(yīng)，成功合成了MAX新相Ti3ZnC2、Ti2ZnN、Ti2ZnC以及V2ZnC，其反應(yīng)過程如圖5所示。ZnCl2作為熔鹽的同時(shí)參與反應(yīng)，將原料MAX相和ZnCl2以1∶1.5的摩爾比在手套箱中充分混合后，放入氧化鋁坩堝中，并將坩堝放進(jìn)通有氬氣保護(hù)的管式爐。在550 ℃下反應(yīng)5 h后，將產(chǎn)物用去離子水洗滌并干燥，除去多余的ZnCl2，即可得到以Zn為A層的MAX相。該反應(yīng)是自上到下進(jìn)行的置換反應(yīng)，通過掃描電子顯微鏡及能譜分析，確定了Zn成功在A位置將Al置換，且未改變MAX相的結(jié)構(gòu)。Li等[44]首次成功將Zn元素引入到MAX相家族中，并將此過程稱為路易斯酸熔鹽反應(yīng)。以Ti3ZnC2為例，該反應(yīng)的方程式如式(3)所示，AlCl3在高溫下?lián)]發(fā)，不斷促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。

圖5 路易斯酸鹽置換反應(yīng)制備MAX相[44]Fig.5 Preparation of MAX phases by Lewis acidic salt replacement reaction process[44]

(3)

隨后，Huang等使用CuCl2和CuI作為路易斯酸鹽，通過置換反應(yīng)成功合成Ti3(AlxCu1-x)C2、Nb2CuC及Ti2(Al0.1Cu0.9)N，成功將Cu元素引入到MAX相家族中[45-46]。其中MAX相Ti3(AlxCu1-x)C2的A層元素是Al-Cu固溶體，且有一定的面內(nèi)有序性。同時(shí)合成的Ti3(AlxCu1-x)C2相表現(xiàn)出了與天然酶相似的過氧化物酶催化活性，所制造的生物傳感器表現(xiàn)出了對(duì)H2O2非常靈敏的檢測(cè)能力。

除了在MAX相中成功引入新A層元素外，路易斯酸鹽法還提供了一個(gè)較低溫度下置換合成固溶體MAX相的新思路。Chen等分別用FeCl2和SnCl2作為熔鹽，在較低溫度下合成了Ti3(Al,Fe)C2及Ti3(Al,Sn)C2固溶體MAX相[47-48]。相比傳統(tǒng)的合成溫度[49-51]，路易斯酸鹽法的合成溫度降低了400 ℃以上，大幅降低了能耗。

除了置換合成新型MAX相，在加入過量的熔鹽后，路易斯酸鹽法還可以制備只含有Cl基團(tuán)的二維材料MXene。Li等[44]通過路易斯酸鹽法，成功制備了Ti3C2Cl2和Ti2CCl2MXene，制備過程中沒有F元素的參與，是一種綠色安全的MXene制備方法。2021年，Ma等[52]將MS3法和路易斯酸鹽法進(jìn)行了結(jié)合，在空氣氣氛中實(shí)現(xiàn)了Ti3C2MXene的一鍋法快速合成。和其他合成MXene方法相比，該方法方便快捷，只需要10 min即可將Ti3AlC2刻蝕為Ti3C2MXene，大大減少了MXene材料的刻蝕時(shí)間，且刻蝕過程綠色安全，開辟了MXene材料合成的新路徑。

路易斯酸鹽法不但引入了A層新元素Zn和Cu，還實(shí)現(xiàn)了Fe、Sn元素的低溫置換，為MAX相合成提供了更多思路。同時(shí)，加入過量的路易斯酸鹽還可以將MAX相直接刻蝕成具有單一基團(tuán)的MXene。路易斯酸鹽法合成MAX相的優(yōu)勢(shì)在于，其可以通過置換反應(yīng)將傳統(tǒng)方法無(wú)法合成的A元素置換進(jìn)MAX相中，并合成出MAX新相。其劣勢(shì)也很明顯，該反應(yīng)需要用到A元素的鹵族鹽，且對(duì)該鹵族鹽有熔點(diǎn)及沸點(diǎn)的限制，不能過高或過低。過高無(wú)法形成液態(tài)環(huán)境，反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行；過低鹵族鹽損失過快，反應(yīng)同樣無(wú)法進(jìn)行。

4 熔鹽電化學(xué)法合成MAX相

通過熔鹽中的電化學(xué)反應(yīng)來批量生產(chǎn)金屬以及合金是一個(gè)廣泛采用的方法[53-54]。近些年比較新穎的創(chuàng)意是通過電脫氧工藝，在較低溫度下，通過還原成本低廉的氧化物陰極，來合成目標(biāo)產(chǎn)物。將碳源和氧化物陰極混合后，該工藝還可以用于合成碳化物及碳化物復(fù)合材料[55-56]。

2016年，Abdelkader[57]首次將熔鹽電化學(xué)法應(yīng)用到MAX相的合成中，采用Cr2O3、Al2O3和石墨粉作為原料，成功合成了Cr2AlC MAX相。熔鹽電化學(xué)法合成MAX相的反應(yīng)過程如圖6所示。以直徑10 mm的石墨棒作為陽(yáng)極，將NaCl和CaCl2以1∶1的摩爾比充分混合后作為電解質(zhì)。陰極的制作較為復(fù)雜，共分為三步。首先，將摩爾比為2∶1的Cr2O3和Al2O3充分混合均勻后壓坯，并在空氣中1 200 ℃燒結(jié)24 h；隨后將燒結(jié)塊體磨成粉，并把石墨加入到粉末中混合均勻；最后將混合物壓坯，在氬氣保護(hù)下在400 ℃燒結(jié)成型。在施加電流的影響下，氧化物陰極中的氧被電離并向陽(yáng)極移動(dòng)，最終在陽(yáng)極和碳反應(yīng)生成CO或CO2氣體，其他元素則通過原位相互作用，在陰極反應(yīng)生成目標(biāo)材料，該反應(yīng)的進(jìn)行過程如圖6中的方程式所示。

圖6 熔鹽電化學(xué)法合成MAX相示意圖[58]Fig.6 Schematic diagram of preparation of MAX phases by molten salt electrochemical method[58]

隨著研究的進(jìn)展，Li等[58]和Liu等[59]分別用熔鹽電化學(xué)法以TiO2、Al2O3、石墨和V2O5、Al2O3、石墨為原料,成功制備Ti3AlC2和V2AlC MAX相。這證明了通過熔鹽電化學(xué)法合成MAX相是切實(shí)可行的。該方法以金屬氧化物為反應(yīng)原料大大降低了原料成本。2020年，Pang等[60]以富鈦礦渣、Al2O3和石墨為原料成功制備出Ti3AlC2MAX相，進(jìn)一步降低原料成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦物廢料的循環(huán)利用。在合成目標(biāo)產(chǎn)物的同時(shí)保護(hù)了環(huán)境，開拓了低成本綠色合成MAX相的新思路。

熔鹽電化學(xué)法所用原料是金屬氧化物，原料成本大大降低，甚至可以用富金屬礦渣作為反應(yīng)原料，是一種新的環(huán)境友好型MAX相合成方法。相比較于其他熔鹽法，熔鹽電化學(xué)法通過電解氧化物來合成目標(biāo)MAX相，該反應(yīng)可持續(xù)進(jìn)行、流程簡(jiǎn)單、原料來源廣泛，未來有望通過熔鹽電化學(xué)法大規(guī)模工業(yè)合成MAX相。

5 四種熔鹽法比較

上文綜述了近些年報(bào)道的四種熔鹽法合成MAX相的最新進(jìn)展，將四種熔鹽法合成MAX相的工藝參數(shù)進(jìn)行匯總，列于表1中。熔鹽法制備MAX相的反應(yīng)過程在液相下進(jìn)行，原料間接觸面積較大。因此熔鹽法顯著降低了MAX相合成的反應(yīng)溫度。傳統(tǒng)熔鹽法、熔鹽屏蔽法、路易斯酸鹽法和熔鹽電化學(xué)法等四種方法所制備MAX相的微觀形貌沒有差別，均為典型的MAX相層狀堆垛形態(tài)，合成的MAX相樣品尺寸并不主要取決于合成方法，合成條件對(duì)其尺寸大小具有較大影響。

表1 不同熔鹽法合成MAX相工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of MAX phases by different molten salt methods

6 結(jié)語(yǔ)與展望

同時(shí)擁有金屬和陶瓷優(yōu)異性能的MAX相應(yīng)用廣泛，但是合成MAX相的傳統(tǒng)方法存在能耗高、產(chǎn)量低的缺點(diǎn)。熔鹽法可以低能耗、低成本地合成MAX相材料，且產(chǎn)量較高，是未來工業(yè)大規(guī)模合成MAX相的重要方法，有力支持了MAX相的大規(guī)模應(yīng)用。但相對(duì)于龐大的MAX相家族，使用熔鹽法合成的MAX相種類較少，且多為傳統(tǒng)MAX相。目前熔鹽法合成的MAX相中，M層元素只有第四周期的Ti、V和Cr，且A層元素大多數(shù)為Al，同時(shí)反應(yīng)所用熔鹽種類較少。因此，探索更多MAX相的熔鹽法合成，以及不同熔鹽對(duì)熔鹽法合成MAX相的影響是未來研究的方向。期待有更多的研究人員注意到熔鹽法合成MAX相，以此來促進(jìn)更多MAX相的低能耗、低污染，以及高效合成。