【引言】

MXenes為2D材料家族添加了眾多新成員，碳化以金屬導體為主，物和物而目前2D材料大多數(shù)是氮化電介質(zhì)、半導體或半金屬。料牛通過利用MXenes的碳化可調(diào)特性，人們可以使用增材制造或其他涂層和加工技術(shù)，物和物從2D納米片中構(gòu)建從晶體管到超級電容器、氮化電池、料牛天線和傳感器等各種設(shè)備。碳化MXenes已經(jīng)顯示出各種電子、物和物光學、氮化化學和機械性能，料牛并且已經(jīng)提出了MXetronics（全MXene光電子學）的碳化概念。高電子傳導性使它們可以用于集流體、物和物連接線和導電油墨。氮化MXenes具有電化學和化學可調(diào)的等離子體特性，帶間躍遷和等離子體共振峰覆蓋了整個紫外、可見光和近紅外范圍，這使得它們的電致變色和光熱治療應(yīng)用成為可能。它們與太赫茲到千兆赫茲頻率的電磁波的具有強相互作用，而被用于電磁干擾屏蔽和通信。MXene表面過渡金屬原子的氧化還原活性使電池和超級電容器中的電化學能量儲存以及電催化成為可能。通過控制MXene二維片之間的間距，使其可用于氣體分離、水凈化和透析。MXenes的表面電荷使其可用于無表面活性劑或粘合劑的水處理，以及形成液晶。有機分子、聚合物和離子可以插入MXene層之間，允許特性調(diào)整和多層組裝。無毒和環(huán)境友好的鈦基MXenes，由豐富的元素構(gòu)成，以及它們與聚合物、陶瓷和金屬的混合體和復(fù)合材料，尤其吸引了大量的關(guān)注。

【成果簡介】

近日，在美國德雷塞爾大學Yury Gogotsi教授（通訊作者）團隊等人帶領(lǐng)下，對MXenes領(lǐng)域進行了前瞻性的回顧。討論了要解決的挑戰(zhàn)并概述了研究方向，這些方向?qū)⒓由顚Xenes性質(zhì)的基本理解，并使其能夠在各種新興技術(shù)中與其他2D材料混合。相關(guān)成果以題為“The world of two-dimensional carbides and nitrides (MXenes)”發(fā)表在了Science。

【圖文導讀】

圖1?MXene結(jié)構(gòu)示意圖

2D MXenes的通用公式為M_n+1X_nT_x，其中M為早期過渡金屬，X為碳或氮，Tx為外層金屬層的表面末端。公式中的n值可以從1到4不等，取決于MXenes結(jié)構(gòu)中存在的過渡金屬層（以及碳或氮層）的數(shù)量。所有之前所知MXenes相比,最近發(fā)現(xiàn)的Mo₄VC₄T_x固溶體MXene具有5個M層，在M層中表現(xiàn)為孿晶。MXenes的M位可以被一個或多個過渡金屬原子占據(jù)，形成固溶體或有序結(jié)構(gòu)。有序的雙過渡金屬MXenes以面內(nèi)有序結(jié)構(gòu)[i-MXenes，如(Mo_2/3Y_1/3)₂CTx]；面內(nèi)空位結(jié)構(gòu)（如W_2/3CT_x）；面外有序結(jié)構(gòu)（o-MXenes），其中一層M"過渡金屬夾在兩層M '過渡金屬之間（如Mo₂TiC₂T_x），或者兩層M "過渡金屬夾在兩層M '過渡金屬（如Mo₂Ti₂C₃T_x）之間。

圖2 MXenes的電子、光學和力學性能

(A)決定MXenes電子和光學特性的不同組成和結(jié)構(gòu)因素示意圖。

(B) Mo₂TiC₂O₂和Mo₂Ti₂C₃O₂的總DOS，顯示了MXene的結(jié)構(gòu)。

(C) Ti₃C₂、Ti₃C₂O₂、Ti₃C₂(OH)₂和Ti₃C₂F₂的DOS，顯示了表面化學對MXenes電子性能的影響。

(D) MXenes的功函數(shù)與其表面化學性質(zhì)的關(guān)系。

(E)各種MXenes的膠體溶液及其相應(yīng)的獨立薄膜的顏色。

(F)三種M'_2-yM″_yCT_x固溶體的照片，顯示了由于化學計量的逐漸改變而引起MXene薄膜的光學性質(zhì)和顏色的變化。

(G)不同2D過渡金屬碳化物水溶液的紫外-可見-近紅外消光性能。

(H) MXene薄膜在300 ~ 2500 nm范圍內(nèi)的紫外-可見-近紅外透射光譜。

(I) 通過真空輔助過濾和刮涂制備不同厚度Ti₃C₂T_x薄膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(J)雙層Ti₃C₂T_x薄片在不同載荷下的力-撓度曲線。

(K)單層Ti₃C₂T_x和Nb₄C₃T_x與其他二維材料在類似納米壓痕實驗中的有效楊氏模量比較。

圖3 MXenes的合成與加工

(A)通過從MAX相和相關(guān)層狀化合物中去除A層來生產(chǎn)MXenes的兩種方法示意圖。在第一種方法中，MAX相在含氟離子的酸中被選擇性地蝕刻。通過這種方法，可以獲得多層MXene顆粒或原位脫層二維薄片(使用MILD方法)。在第二種方法中，MAX相在熔融鹽中被選擇性地蝕刻。該產(chǎn)品通常是多層MXene顆粒，然后可以通過插層脫層。

(B)六方Ti₃AlC₂?MAX相晶體的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。

(C) Ti₃C₂T_x?MXene顆粒的SEM圖像，由Ti₃SiC₂通過在熔鹽中選擇性刻蝕Si層而獲得。

(D) Ti₃C₂T_x薄片的俯視SEM圖像。

(E) M₃AX₂?MAX相(Ti₃AlC₂)顆粒的STEM圖像。

(F) ml-M₃X₂T_x?MXene顆粒(Ti₃C₂T_x)對應(yīng)的STEM圖像。

(G)單層Ti₃C₂T_x原子分辨平面STEM圖像。

(H-J) ~1 L的分層Ti₃C₂T_x溶液、高濃度Ti₃C₂T_x墨水、多層Ti₃C₂T_x?MXene顆粒、通過真空輔助過濾膠體MXene溶液制備的Ti₃C₂T_x薄膜、以及通過刮涂制備的大面積、機械強度高的Ti₃C₂T_x薄膜的照片。

?圖4?MXenes在光電子、傳感器和致動器、電磁干擾屏蔽、無線通信和天線等方面的應(yīng)用

(A)用氧化銦錫(ITO)和MXene透明電極制作的發(fā)光二極管(LEDs)在不同電壓下的亮度。左邊的插圖顯示了一個基于MXene的綠色磷光有機LED (phOLED)的光學圖像，右邊的插圖顯示了這個器件的原理圖。

(B)使用Ti₃C₂T_x的有機場效應(yīng)晶體管(OFETs)的大規(guī)模電極陣列的照片和器件原理圖。

(C)顯示MXene水凝膠拉伸性能的照片。

(D) MXene水凝膠應(yīng)變傳感器在不同手勢下的電阻變化。

(E)聚碳酸酯基板上Ti₃C₂T_x-纖維素軟致動器對施加電壓的響應(yīng)。

(F) 用于生物分子傳感的帶有Ti₃C₂T_x電極的MXene場效應(yīng)晶體管示意圖。

(G) Ti₃CNT_x、Ti₃C₂T_x、Mo₂TiC₂T_x、Mo₂Ti₂C₃T_x等含碳和金屬薄膜的電磁干擾屏蔽效率(SET)比較。在相同的厚度下，退火后的Ti₃CNT_x的性能優(yōu)于所有其他材料。

(H) MXene貼片天線與由金屬、碳和其他材料制成的貼片天線的輻射效率與厚度的比較。EGaIn，共晶鎵-銦；CNTs，碳納米管。

圖5 MXenes的儲能和生物醫(yī)學應(yīng)用

(A) MXenes在離子存儲應(yīng)用中的電化學性能。

(B) 90 nm厚Ti₃C₂T_x薄膜在掃描速率為10 ~ 100,000 mV?s^?1時的循環(huán)伏安(CV)曲線。

(C)電解質(zhì)溶劑對Ti₃C₂T_x鋰離子存儲容量的影響；微孔Ti3C2Tx電極在1 M雙三氟甲磺酰亞胺鋰(LiTFSI)中，在DMSO、乙腈（ACN）或碳酸丙烯酯（PC）電解質(zhì)中的CV曲線。

(D) 143個MXene微型超級電容器陣列的晶圓規(guī)模制造的照片。

(E)使用Ti₃C₂T_x?MXene涂層棉紗生產(chǎn)可穿戴紡織品超級電容器電極的具有交錯圖案的針織紡織品的照片。

(F) MXenes的生物醫(yī)學應(yīng)用示意圖。

(G)在808 nm激光照射下（1.5W cm^-2），不同時間間隔靜脈注射20mg/kg劑量的Ti₃C₂T_x-大豆磷脂前后，患有4T1腫瘤的小鼠的紅外熱圖像。

(H)由Ti₃C₂T_x/Au制成的用于腦神經(jīng)活動記錄的電極陣列的示意圖和亮場顯微鏡圖像。

(I)一種可調(diào)焦透鏡，由涂有Ti₃C₂T_x的玻璃載玻片構(gòu)成，夾有扭曲向列相液晶(LC)層。在電場作用下，液晶層的分子重新定向使透鏡聚焦。

圖6 MXenes的合成和結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)現(xiàn)新的MXene結(jié)構(gòu)和成分，精確控制其表面端點，以及與其他二維材料結(jié)合成超晶格和二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，將使MXenes具有新的性質(zhì)，并擴大其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，包括用于能量存儲、柔性和可穿戴設(shè)備、傳感器、致動器、光學鏡頭、人工記憶設(shè)備、量子計算和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備。

【展望】

雖然碳化物MXenes的制備取得了進展，但氮化物的合成卻落后了。使用目前的微加工設(shè)備技術(shù)將MXenes集成到芯片上需要氣相合成。大規(guī)模、環(huán)境友好的合成方法是MXenes在未來增材制造技術(shù)中廣泛使用的關(guān)鍵。對結(jié)構(gòu)和表面化學的精確控制，包括缺陷和應(yīng)變工程，應(yīng)該在理論上為預(yù)測半導體、拓撲絕緣和鐵磁性MXenes以及MXene物理和化學的其他發(fā)現(xiàn)鋪平道路。機械強度高、環(huán)境穩(wěn)定和高導電性的MXenes可能對柔性、可打印和可穿戴的自供電電子產(chǎn)品產(chǎn)生重大影響。然而，將MXenes與其他2D材料結(jié)合，通過溶液的自組裝來構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)和器件可能是最令人興奮的前景。

文獻鏈接：The world of two-dimensional carbides and nitrides (MXenes)（Science，2021，DOI:10.1126/science.abf1581）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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