二维材料作为新材料领域的重要驱动力，正推动全球产业升级和技术创新，特别是在新能源、航空航天、柔性电子和生物医疗等高技术领域，展现出巨大的市场潜力。发展二维材料不仅符合国家战略需求，也是实现高新技术突破和产业变革的重要支撑。作为其中最具前景的二维材料之一，MXene凭借其卓越的导电性、亲水性以及优异的力学性能，迅速成为学术界和工业界的研究热点。
然而，当前单层MXene的制备产率普遍偏低，且不同批次之间的质量和性能存在较大差异，这极大限制了MXene在实际工业中的推广应用。单层MXene的高效制备，不仅关系到其材料性能的稳定性，也直接影响到其在诸多领域的广泛应用。因此，如何突破这一瓶颈，实现高产率、可控性和稳定性的单层MXene制备，已成为推动MXene走向大规模商业化应用的关键问题。
基于多年的研究积累，哈尔滨工业大学樊志敏团队发现，多层MXene的终端含氧官能团与水分子之间形成的氢键笼结构，是阻碍其高效剥离的重要因素。为解决这一问题，团队提出了通过高温超声解离多层MXene中氢键笼约束的策略，在短短数十分钟内即可将多层MXene高效转化为产率高达95%、尺寸较大且质量优异的单层MXene，显著优于传统制备方法。这一突破为MXene的规模化制备提供了全新的解决方案。
图1 高温超声克服多层MXene氢键笼约束过程
采用该方法制备的高产率单层MXene，其物理和化学性能与传统方法制备的MXene相当，保持了材料的卓越特性，确保了其在实际应用中的可行性和可靠性。研究团队进一步将该工艺成功放大至百克级生产规模，稳定实现了超过90%的高产率。利用这种高产率MXene制备的高浓度MXene墨水，在印刷和加工领域表现出卓越的性能，相关产品在红外隐身和焦耳加热等方面也展现了优异表现，进一步拓展了MXene在智能可穿戴设备、能源器件和军事红外伪装等领域的应用前景。研究成果以“Scalable, High-Yield Monolayer MXene Preparation from Multilayer MXene for Many Applications”为题发表在国际化学顶级期刊《Angew Chemie International Edition》（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202418420）上。该研究获得了国家自然科学基金、黑龙江省重点研发计划支持。
哈工大化工与化学学院空间电源全国重点实验室为论文第一完成单位和通讯单位，哈工大化工与化学学院空间电源全国重点实验室固定成员樊志敏和高分子科学工程系刘宇艳两位教师以及南京大学博士后曹宁宁为论文通讯作者。哈工大化工与化学学院2022级硕士生石香香为第一作者，香港城市大学博士后于桢为共同第一作者，哈工大化工与化学学院2022级本科生刘孜、2022级博士生尹梁和2024级博士毕业生石婷，空军工程大学青年教师朱林和北京理工大学博士生赵科为共同作者。以上研究获得国家自然科学基金、黑龙江省重点研发计划支持。
樊志敏团队长期专注于MXene材料的应用基础研究，现已掌握制备公斤级MXene分散液和百米级MXene薄膜的关键技术，并取得了MXene薄膜湿度致动（Angewandte Chemie International Edition 2020, 59, 14029-14033）、MXene薄膜水辅助焊接（Matter 2022, 5, 1042-1055）和MXene薄膜可逆限制性解离与重组（Advanced Science 2024, 11, 2309171）等重要成果。以MXene材料为基础，樊志敏作为第一指导教师指导学生获得中国国际大学生创新大赛全国金奖、国际创意顶点设计竞赛金奖、全国大学生创新创业年会优秀学术论文奖等多项国家级创新创业奖项，并两次获得哈尔滨工业大学创新创业教育优秀指导教师奖。
