【頂刊綜述】MXenes合成與開發十年進展

自

2011

年發現以來，二維過渡金屬碳化物和氮化物

（MXenes）

的數量穩步增加。目前存在超過

40

種

MXene

組合物。最終數量要大得多，而且隨著時間的推移，它們可能會發展成為已知的最大的

2D

材料系列。

MXenes

的獨特性質，例如其類金屬電導率達到

≈20 000 S cm

-1

，使其在大量應用中非常有用，包括儲能、光電、生物醫學、通訊和環境。

MXene

發表的論文和專利數量一直在快速增長。第一代

MXene

是透過使用氫氟酸對

MAX

相、層狀過渡金屬碳化物和碳氮化物的金屬層進行選擇性蝕刻來合成的。從那時起，開發了多種合成方法，包括在氟化物鹽和各種酸、非水蝕刻劑、鹵素和熔鹽的混合物中進行選擇性蝕刻，從而可以合成新的

MXene

，並更好地控制其表面化學。在此，簡要介紹了

MXene

研究的前

10

年及其合成和未來發展的前景。事實上，它們的生產在水性環境中很容易擴充套件，產量高，這預示著它們的商業化。

1

簡介

在

2004

年發現單層和少層石墨烯的不尋常物理特性後，二維材料引起了科學家、工程師和投資者的想象，成為一個充滿活力和令人興奮的研究領域。這一發現引起了人們對石墨烯以外的二維材料的關注，並迅速導致了對其他具有易於獲得的層狀前體的材料的剝離和探索，從類石墨的六方氮化硼

h-BN

到二硫屬化物和層狀氧化物。不久之後，

2D Si

、

Ge

、

Sn

和其他幾種沒有弱鍵合層狀前驅體的材料得到了證明。這清楚地表明

2D

材料家族預計將擴大，涵蓋具有各種結構和化學性質的眾多化合物。

2018

年，計算二維材料資料庫

（C2DB）

報告了分佈在

30

多種不同晶體結構上的約

1500

種二維材料的各種結構、熱力學、彈性、電子、磁和光學特性。這可能允許一個令人興奮的前景，使用具有互補特性的

2D

構建塊來建立人造材料並使用各種

2D

薄片元件構建整個裝置。

2011

年，儘管存在大量二維材料，但絕大多數是具有低電導率和載流子濃度的半導體、半金屬或絕緣體。同樣重要的是，很少有

2D

材料的數量足以滿足微電子領域以外的應用需求。除石墨烯和

h-BN

外，溶液處理的

2D

材料的薄片尺寸非常小，因為機械強度低，導致

2D

片材在分層過程中斷裂。許多這些材料在空氣中也是疏水的和不穩定的。因此，一系列具有金屬導電性、親水性、易加工性、相對高產率和大片狀的二維碳化物和氮化物的發現對整個材料科學領域產生了深遠的影響。

早期的過渡金屬碳化物和氮化物是一類重要的材料，因為它們具有高金屬導電性、高硬度和優異的化學穩定性。

［9-11］

幾十年來，它們作為大塊陶瓷材料主要用於高溫應用和切割工具。其他應用包括但不限於功能複合材料、催化劑和電化學儲能。然而，過渡金屬和碳

/

氮原子（主要是共價鍵

/

金屬鍵）之間在各個方向上的強鍵合使得它們的維度降低

——

從塊狀

3D

固體到奈米材料，包括

2D

片和

1D

奈米帶或奈米管

——

一項具有挑戰性的任務。因此，非正統的方法對於降低它們的維度是必要的。我們的方法利用金屬

-

金屬鍵與金屬

-

碳

/

氮鍵的強度差異來選擇性蝕刻

MAX

相中的單原子金屬層。後者是層狀三元碳化物和氮化物，成分為

Mn+1AXn

，其中

M

是早期過渡金屬，

A

主要是

13

和

14

族元素，

X

是碳和

/

或氮，

n = 1-4

。在

1996

年的一篇開創性論文中，

Barsoum

和

El-Raghy

率先製造了

Ti3SiC2

的單相純樣品，並證明它易於加工，並且是優良的電和熱導體。

1997

年，他們證明

Ti3SiC2

是一種

50

相，其中大部分是由

Nowotny

及其同事在

60

年代發現的。

1999

年，

Ti4AlN3

被發現，這導致我們中的一個人將它們標記為

Mn+1AXn

或

MAX

相。在結構上，

MAX

相是分層的六邊形（

P63/mmc

空間群）材料，可以描述為八面體塊的過渡金屬碳化物

/

氮化物片，其中

X

原子位於八面體的中心，與純

A

層粘合在一起。

2011

年，我們表明，透過在室溫下簡單地將

Ti

3

AlC

2

浸入氫氟酸

（HF）

中，我們可以選擇性地蝕刻

Al

層，留下二維碳化鈦

Ti

3

C

2

，這是第一次。一年後，我們證明這種選擇性蝕刻方法適用於許多其他具有鋁

A

層的

MAX

相，這是

MAX

相中更普遍的

A

元素之一。正是在這個時刻，我們給這個新的

MXene

家族貼上了標籤，以強調它們與

MAX

相及其維度的關係。

2011

年有

≈70 MAX

階段；今天，它們的數量為

150

，並在常規基礎上發現了新的，證明了

MXene

的大量前體。圖

1

顯示了迄今為止已知的不同

MXenes

結構的原子模型。

圖

1

典型的

MXene

結構和組成。

MXenes

的分子式為

Mn+1XnT

X

，其中

M

是早期過渡金屬，

X

是

C

或

N

，

T

X

代表表面終止。

n

值可以在

1

到

4

之間變化。

M

位點可以被一個、兩個或多個過渡金屬原子佔據，形成固溶體或有序結構。有序雙過渡金屬

MXenes

以面內有序結構

（i-MXenes）

存在，例如

（MO

2

/3Y1/3）2CT

X

，面內空位結構，例如

MO

2

/3CT

X

，以及面外有序結構

（o-MXenes）

，其中一層或兩層

MII

過渡金屬夾在

MI

過渡金屬層之間，例如

Cr2TiC2T

X

或

MO

2

Ti2C3T

X

。

從那時起，已經發表了數千篇研究論文（圖

2a

）和一本書，並已申請了一千多項專利。比申請和頒發的專利數量更重要的是可能的應用範圍非常廣泛，從電子到醫學、感測、通訊、光電子和摩擦學等等。

圖

2

MXenes

領域進展的時間順序介紹。

a）

出版物和

b）

引文資料來自

Web of Science

。

（a）

中的插圖顯示了報道

Ti

3

C

2

T

X

MXene

發現的文章的封面，

（b）

中的插圖顯示了該領域的第一次綜合評論的封面；封面經許可轉載。

c） MXenes

研究前

10

年的主要合成和加工突破清單，該十年發現的新

MXene

核心成分（為簡單起見，化學式中省略了表面終止縮寫

T

X

）以及表面終止控制方面的進展。

δ

固溶體

MXenes

；

□

來自非

MAX

相前驅體的

MXene

；

§

面外有序雙過渡金屬

MXene

；

¤ MXene

來自面內有序的雙過渡金屬

MAX

相類似物；

*

由自下而上的方法生產的二維碳化物和氮化物；

ε

氮化物

MXene

由碳化物

MXene

合成後處理；

□

空缺；和

^

混合終止。

在此，我們從十年前

MXenes

的主要發現者那裡提出了一個觀點。除了討論

MXene

家族在合成、擴充套件、瞭解它們的結構和化學、性質和應用方面的主要突破之外，這個觀點還暗示了這個蓬勃發展領域的未來研究方向。

2 MXene

合成

如上所述，我們關於

2D

過渡金屬碳化物的第一份報告集中在碳化鈦

（Ti

3

C

2

）

上，它是在室溫

（RT）

下使用

HF

水溶液作為

Al

的蝕刻劑合成的。值得注意的是，

HF

用於選擇性蝕刻

A

層，目的是為

MAX

相中的電化學鋰嵌入

/

脫嵌創造更多空間，這是為鋰離子電池負極研究的，並非旨在製造一種二維材料。有關

MXenes

發現的迷人故事的更多詳細資訊，請參見我們在參考文獻中寫的序言。

。

與

Ti

3

C

2

一樣，第一代

MXenes

的其他代表都是透過選擇性蝕刻來自不同

MAX

相（

Ti2AlC

、

V2AlC

、

Nb2AlC

、

Nb4AlC3

、

Ta4AlC3

、

Ti3Al（C0。5N0。5）2

、

（Ti0。5Nb0 。5）2AlC

、

（V0。5Cr0。5）3AlC2

、

（Ti0。5V0。5）2AlC

、

（Ti0。5V0。5）3AlC2

和

（Nb0。5V0。5）4AlC3）

在室溫下使用

HF

水溶液。

［23 ， 26-28］

然而，由於不同

M

元素和

Al

層之間的結合強度不同，因此必須針對每種成分修改蝕刻條件（酸濃度、溫度、時間）以實現轉化。調整蝕刻條件很重要的另一個原因是保持高產量並最大限度地減少

2D

薄片在酸中的降解，因為它們的化學穩定性取決於結構和成分。

由於合成是在含氟化物的水溶液中進行的，

MXene

的過渡金屬表面由

O

、

OH

和

F

終止（為簡單起見，下文使用

T

X

來描述混合表面終止）。

HF

蝕刻後得到的

MXene

是一種多層材料，其形態類似於蛭石粘土。由於表面終止，這些多層透過氫鍵和範德華鍵的混合物保持在一起。與原始

MAX

相不同，這些次要鍵允許層間嵌入。將二甲基亞碸

（DMSO）

插入

Ti

3

C

2

T

X

中，然後進行超聲處理，產生分層的

Ti

3

C

2

T

X

在水中的膠體溶液。有趣的是，

DMSO

嵌入並不是一種通用方法，因為它沒有嵌入所有

MXene

。利用

MXenes

的負表面電荷和陽離子的自發嵌入，透過從有機鹼溶液（如氫氧化四丁銨、

TBAOH

、氫氧化膽鹼和正丁胺）中嵌入大陽離子來實現各種

MXenes

的大規模分層。

MXenes

的親水性和無需任何表面活性劑即可輕鬆分散在水中的能力簡化了它們的加工過程。因此，

MXenes

可以以多種形式生產，從多層粉末到水中分層薄片的油墨，然後可以印刷、噴塗、拉成纖維或過濾成獨立的薄膜。

氫氟酸是一種危險的化學品，必須極其小心地處理。

2014

年發現，人們不僅可以使用氟化物鹽（如

LiF

）和更多的良性酸（如

HCl

）的組合蝕刻某些

MAX

相，而且還可以一步將它們分層，這是對該領域的重大推動。

Ghidiu

等人表明，當

Ti

3

AlC

2

浸入

LiF

和

HCl

溶液中時，

HF

的原位形成不僅將

MAX

相轉化為

MXene

，而且所得產物在流變學上表現得像粘土，因為插入的陽離子

- Li+

在這種情況下

——

允許產品被軋製成不同的形狀。陽離子的進一步水合會導致水中顯著溶脹和

MXene

分層。這項工作的重要性不僅僅在於消除了對

HF

蝕刻的

MXene

進行分層通常所需的額外嵌入步驟。在

LiF-HCl

中蝕刻允許許多禁止處理

HF

的實驗室開始生產

MXene

。

儘管有這些意見，我們還是要強調，應使用處理

HF

的安全協議來處理混合氟化物鹽和酸。氟化氫銨

（NH4HF2）

也被用作

Ti

3

AlC

2

中的

Al

的蝕刻劑，在水中以及最近在極性有機溶劑中。水解的含

F

液體也可以選擇性地蝕刻鋁並導致

MXene

片之間的陽離子嵌入。另一種基於氟化物的

MXene

合成是透過在

550°C

的熔融氟化鹽中從

Ti4AlN3

蝕刻

Al

來實現的。值得注意的是，

Al

並不是唯一可以從

MAX

相中蝕刻的元素。

Alhabeb

等人報道了使用

HF

和氧化劑從

Ti3SiC2

中選擇性蝕刻

Si

以形成

Ti

3

C

2

T

X

MXene

。

Sun

等人報道了在

HCl

中使用電化學蝕刻將

Ti2AlC

無氟部分轉化為碳化物衍生的碳和

Ti2CT

X

MXene

。使用

1。0 M

氯化銨和

0。2 M

四甲基銨的水性電解質實現了

Ti

3

AlC

2

中

Al

的無氟電化學蝕刻。在

270°C

下使用

27。5 M NaOH

對

Ti

3

AlC

2

進行水熱處理，導致

MAX

和

MXene

的混合物，即

MAX

相的部分蝕刻。最近，

Shi

等人報道了使用溶解在

100 °C

的無水乙腈中的碘作為蝕刻劑從

Ti

3

AlC

2

中去除

Al

以形成

Ti

3

C

2

I2

。根據鹽的不同，在

500–750 °C

的溫度範圍內使用路易斯酸性熔鹽（如

ZnCl2

或

CuCl2

）也可以實現無氟化物合成。儘管合成需要高溫，但均勻的表面終止使這種方法很有吸引力。

然而，調整現有的合成協議和修改

MAX

階段是改變

MXene

屬性和效能的其他重要方法。微調

MAX

相位會影響合成條件。例如，在

V2AlC

的前體中加入少量

Sc

導致形成

V-Sc

的固溶體，這顯著減少了使

V2-yCT

X

（y < 0。05）

所需的蝕刻時間，因為痕量的

Sc

改變了

MAX

階段。在

MAX

相的

A

位固溶體，如

Ti3（Si0。75Al0。25）C2

和

Ti3（Si0。1Al0。9）C2

的情況，削弱了透過

A

層和因此允許藉助超聲波處理剝離這些材料，這對於

Ti3SiC2

和

Ti

3

AlC

2

都是不可能的。然而，在這裡，最終結果不是

MXenes

，而是薄的

MAX

血小板。

MAX

相化學對

MXene

影響的另一個例子是

Mathis

等人的工作，他們透過在

Ti

3

AlC

2

合成過程中加入過量的

Al

來顯著提高

MXene

的穩定性和導電性，這導致形成高度化學計量的

MAX

和

MXene 。

對蝕刻條件的簡單修改，例如氟鹽與酸的比率，或在蝕刻過程中鼓泡氮氣，都可以顯著改變所得

MXene

的特性。對於

Ti

3

C

2

T

X

以外的

MXene

（第一個也是研究最多的

MXene

），需要進一步最佳化和修改合成條件，以改善薄片尺寸並最大程度地減少缺陷濃度。

2。1

結構和組成的多樣性

MAX

相合成方面的任何進步或對其組成和結構多樣性的擴充套件都直接有利於

MXenes

家族，事實上，最近對

MAX

相的許多研究都是出於製造新

MXenes

的目標。我們將在此處提供一些此類進步的示例，以突出這種相關性。數十年來，已知含有一種以上固溶體形式的過渡金屬的

MAX

相。他們的

MXenes

，按力，直到最近才實現；在這裡，我們舉幾個例子。

［15， 22， 56-61］ 2014

年，報道了一種有序的雙過渡金屬

MAX

相，即

Cr2TiAlC2

。在這個面外有序的

MAX

相（

P63/mmc

空間群）中，

Cr

原子幾乎完全佔據

M3C2

塊中

M

的外層（

4f Wyckoff

位點），而

Ti

原子佔據中心層（

2a Wyckoff

位點）

）。不久之後，

Anasori

等人發現了

MO

2

TiAlC2

和

MO

2

Ti2AlC3

，並報道了三種新的面外有序

MXenes

（

MO

2

TiC2T

X

、

MO

2

Ti2C3T

X

和

Cr2TiC2T

X

）。

2017

年，

Meshkian

等人報道了面外有序

MO

2

ScAlC2

及其相應的

MXene MO

2

ScC2T

X

。

Tao

等人報道了另一種有序的雙過渡金屬層狀碳化物（即

（MO

2

/3Sc1/3）2AlC

），其中兩種過渡金屬（

Mo

和

Sc

）在過渡金屬碳化物片內面內有序

。

在蝕刻期間，

Sc

原子也被蝕刻。這導致

Mo4/3CT

X

MXene

在

M

位點上具有有序的空位，其中最初存在

Sc

原子。其他面內有序

MAX

相，具有用於

MAX

相的新過渡金屬，例如

（W2/3Y1/3）2AlC

（

W

或

Y

單獨不形成

MAX

相），以及它們相應的具有有序空位的

MXene

（例如

W4 /3CT

X

）

被報道。透過從

（Nb2/3Sc1/3）2AlC

蝕刻

Sc

和

Al

，報告了

Nb1。33CT

X

在

M

位點的隨機空位。

Persson

等人報告說，調整

（MO

2

/3Y1/3）2AlC

的蝕刻條件，表現出面內有序性，可以導致僅蝕刻

Al

層，而留下面內有序的雙

M

（即，（

MO

2

/3Y1/3）2CT

X

） MXene

。

n > 3

的

MAX

相僅作為批次合成或濺射薄膜中的少量雜質相被觀察到。然而，最近

Deysher

等人報道了在

1650 °C

下使用粉末冶金整體合成合成具有

（Mo0。8V0。2）5AlC4

組成的

n = 4

相。成功蝕刻鋁以形成

（Mo0。8V0。2）5C4T

X

為更多

MAX

和

MXene

組合物打開了大門。

M

位點

［22，56，58，59，61］

上的隨機二元固溶體和具有多種

M

元素的高熵

MXenes

確保了新

MXene

組合物的數量將繼續突飛猛進。

MAX

相及其相應

MXene

的組成和結構空間將在未來幾年進一步擴大，特別是在每個

MXene

超過

1 M

的方向上（固溶體、有序的面外和

/

或面內結構）因為這是一種定製

MXenes

屬性的強大方法。

與基於碳的

MXenes

相比，關於氮化物和碳氮化物

MXenes

的報道很少

［22， 38， 74-77］

這部分是因為含氮

MAX

相的數量有限以及合成氮化物

MXenes

的困難，如氮化物層傾向於溶解在酸中。仍然預計，透過更加專注的努力，生產更多新的含氮

MAX

相併將其蝕刻用於製造二維氮化物只是時間問題。其他創新方法，例如氮化

MXene

以用氮代替部分或全部碳，已成功用於生產

MO

2

NT

X

、

V2NT

X

和摻氮

Ti2CT

X

，這確實增強了它們作為電催化劑的效能。

透過選擇性蝕刻合成

MXenes

不僅限於

MAX

相前驅體；其他層狀碳化物如

Zr3Al3C5

、

Hf3（AlSi）4C5

和

MO

2

Ga2C

分別成功地用於合成

Zr3C2T

X

、

Hf3C2T

X

和

MO

2

CT

X

。除了選擇性蝕刻和自上而下合成之外，其他自下而上的方法如化學氣相沉積

（CVD）

也被用於合成大面積超薄

α-MO

2

C

、

WC

和

TaC

薄膜。

Xiao

等人報告了透過還原氨中的六方氧化物以鹽為模板合成

2D MoN

、

V2N

和

W2N

。

2。2

表面終止和插層

合成後的

MXene

的表面終止在很大程度上取決於它們的合成方式。例如，當使用

HF

水溶液時，通常會發現混合的

O

、

OH

和

F

端具有不同的比率，這取決於每種

MXene

和蝕刻條件。當使用熔融氯化物鹽時，

Cl

端基占主導地位；當使用無水

NH4HF2

時，會出現富含

F

的表面。合成後處理也可用於改變末端。

Kamysbayev

等人取代了他們所生產的

MXenes

的

Br

和

Cl

末端

-

分別透過在熔融

CdBr2

和

CdCl2

中蝕刻

MAX

相合成

-

透過

S

、

Se

、

Te

和

NH

透過在

300 °C

的熔融溴化物中與

Li

和

Na

鹽進行合成後反應，然後進行退火和無水洗滌。這種控制和改變終止的能力豐富了他們已經巨大的組成空間。

許多陽離子和有機分子可以自發地嵌入

MXene

片層之間，進一步增加了它們的組成和性質的多功能性。例如，最近，

Brady

等人報道了透過在室溫下將多層

Ti

3

C

2

T

X

浸泡在

Na-

聯苯自由基陰離子絡合物溶液中，每個

Ti

3

C

2

單元自發嵌入多達兩個

Na

。除了插層提供的化學多功能性外，它還提供了結構可調性，因為具有不同尺寸的分子的預插層允許設計

MXene

中的

d

間距，可用於滿足某些應用要求。一個例子是在室溫離子液體

（RTIL）

電解質中使用多層

MXene

作為超級電容器的電極材料。如果不設計

MXene

的

d

間距，

RTIL

的大陽離子無法插入

MXene

層之間，從而將電容限制在多層

MXene

的低外表面積。然而，在透過預嵌入烷基銨陽離子實現的

2。2 nm d

間距下，

Ti

3

C

2

T

X

的層間距被解鎖，用於

RTIL

陽離子的可逆電化學嵌入

/

脫嵌，從而獲得優異的電容和能量密度。

3

屬性

在

2D

世界中，

MXenes

脫穎而出，因為它們提供了一組獨特的屬性和特性，使它們對許多應用程式具有吸引力。最突出的是它們的金屬導電性，而一些

MXenes

可以是半導體或超導體，具體取決於成分和表面終端。有趣的是，對

Ti

3

C

2

T

X

（研究最多的

MXene

）合成的不斷最佳化，不斷將其電導率推向更高的值。最近，

Zeraati

等人報道了透過修改蝕刻工藝，

Ti

3

C

2

T

X

的電導率高達

24 000 S cm

-1

。如此高的電導率與表面終端相結合，允許其他分子和奈米粒子的共價或靜電錨定以實現強介面，使

MXenes

成為導電新增劑、電觸點、導電透明電極和電磁干擾遮蔽膜的理想候選者。與

3D

過渡金屬碳化物

/

氮化物一樣，

MXenes

具有高強度和彈性模量。

Lipatov

等人報告了

Ti

3

C

2

T

X

和

Nb4C3T

X

的單層楊氏模量分別為

330

和

390 MPa

。這兩個值都高於透過液體剝離產生的其他

2D

材料（例如氧化石墨烯或

MoS2

）的值。金屬導電性、高機械效能和表面功能的三重奏為

MXenes

提供了優於其他奈米級聚合物、陶瓷和金屬增強材料的優勢，以製造強大的功能複合材料。除了承載離子和提供快速離子傳輸的能力外，優異的導電性使

MXenes

成為用於電池和超級電容器的有前途的電極材料。

MXenes

已被探索並在許多其他領域顯示出希望，例如環境、生物醫學、感測和催化。

與許多其他只能少量生產的

2D

材料不同，通常在高真空條件下作為單層，

MXenes

透過陶瓷前體的選擇性蝕刻合成的簡單性使得擴大合成規模以滿足行業需求變得相當簡單。特別是，基於鈦的

MXenes

由豐富的元素組成，沒有細胞毒性，並且在降解時會產生無毒的產物，如

TiO

2

、

CO

2

或

CH4

。此外，低成本的前體，如回收的鋁廢料、廢輪胎衍生的碳和過渡金屬氧化物，可用於以顯著較低的價格生產

MAX

相，從而降低總體成本。這些優勢，再加上

MXenes

在許多應用中的獨特性質和有前途的效能，使

MXenes

成為技術應用的有吸引力的材料，而不僅僅是實驗室規模的基礎研究。

4

總結與展望

MXenes

的獨特性質、在廣泛應用中的有前途的效能以及可擴充套件的合成使其對研究和技術開發具有吸引力，這從過去幾年湧現的大量論文和專利中可以清楚地看出。

MXenes

的組成可以透過改變

M

、

X

、

n

、

T

X

和嵌入劑來調整。由於

M

和

X

位點和各種末端的固溶體，大約有

40

種不同的化學計量

MXenes

和無數可能的組成，這些材料的數量無疑將繼續增長，並且在適當的時候，

MXenes

可能成為最大的

2D

材料家族。

用氮代替碳會改變

MXene

的電子結構，從而改變其性質。然而，報告的大多數

MXene

都是碳化物，很少有氮化物和碳氮化物例外。到目前為止，嘗試生產

X = B （MBenes）

的

MXenes

取得了有限的成功。其他已透過計算預測的二維碳化物、氮化物和硼化物仍在等待合成。應該努力合成它們。生產一些理論上預測的

MXene

的挑戰之一是它們在蝕刻劑中的穩定性。因此，不同合成方法的不斷髮展對於實現新的

MXene

組合物和產生受控且均勻的表面終止非常重要。這方面的一個例子是透過分別從

Cr2AlC

和

Ti2AlN

蝕刻

Al

合成

Cr2CT

X

和

Ti2NT

X

。早期嘗試使用

HF

從這些

MAX

相蝕刻

Al

以合成

MXene

失敗，並導致形成氟化物和氧化物。只有當使用其他蝕刻劑時，才能透過實驗合成這些

MXene

；其他研究人員仍應複製該合成，以確認該方法的有效性。母體散裝材料中各層之間的鍵合性質是決定

MXene

合成成功與否的另一個重要因素。例如，為了合成

MO

2

CT

X

，使用

MO

2

Ga2C

代替

MO

2

GaC

，因為

GaGa

鍵比

MoGa

鍵弱，因此

Ga

的選擇性蝕刻可以從破壞

GaGa

鍵開始。

雖然新

MXenes

的發現肯定會繼續，但重要的是要專注於回答

MXenes

社群尚未充分解決的基本問題。一群領先的

MXene

研究人員制定了一份

MXenes

領域應解決的問題清單，並在

2020

年

10

月第三屆

MXenes

國際會議的數百名與會者中進行了討論和排名。環保、安全、高效和可擴充套件合成方法、表面化學控制、化學穩定性的提高以及對其物理性質的理解被評為進一步擴充套件該領域和走向實際應用的最高優先順序。瞭解具有不同過渡金屬和表面末端的

MXenes

的健康和環境安全

/

毒性也是一個高度優先事項。大多數關於合成最佳化以及合成和加工引數對

MXenes

表面化學和效能影響的基礎研究都是在

Ti

3

C

2

T

X

上進行的。因此，系統研究合成和加工條件對具有不同

M

、

X

和

n

的

MXenes

的結構、表面化學和性質的影響，對於促進我們對這些材料的理解具有重要價值。

MXenes

在高溫和氧化環境下容易氧化，這可能導致氧化物

/

碳或氧化物

/

碳

/MXenes

奈米雜化結構的新型結構，這些結構被發現有希望用於電極的能量儲存和轉換。許多研究人員都忽略了這種氧化，因為他們報告了在嚴酷氧化環境下合成

MXene

的情況，並且這些材料的性質和效能適用於

MXene/

氧化物雜化物，而不是純

MXene

。另一個常見的錯誤是忽略

MXene

樣品中的第二相，例如未反應的

MAX

相、

3D

二元碳化物

/

氮化物或未清洗的鹽或蝕刻產物（例如

LiF

或

AlF3

）。這些雜質可能會對

MXene

的行為產生積極或消極的影響。因此，仔細清洗以消除

MXene

中的蝕刻產物以及對

MXene

及其前體進行蝕刻和徹底表徵對於確保重現性和準確報告至關重要。

令人鼓舞的是，研究界在不到一年前強調的幾個問題已經得到解決。透過使用抗氧化劑或封閉

MXene

的邊緣，

Ti

3

C

2

T

X

的氧化

/

降解穩定性得到了改善，並且透過合成高化學計量的

MXene

實現了在室溫下在稀水溶液中長達一年的生命週期。預計化學計量對環境穩定性的影響將導致其他組成的更穩定的

MXene

。儘管有這些評論，但這些氧化緩解策略的長期有效性尚不清楚。如果要將

MXenes

用於存在水且向大氣開放的應用（例如水過濾或海水淡化），則尤其如此。

Kamysbayev

等人透過熔鹽合成和終止交換實現了幾種新的表面終止。已經開發了使用不含酸新增劑的鹽溶液以及

I2

、

Br2

和其他鹵素的新合成方法。還證明了終止依賴的超導性。透過異氰酸酯修飾

MXene

的表面化學，使

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具有疏水性。用二（氫化牛脂）苄基甲基氯化銨交換中間層中的鋰，使

MXene

變得親有機且可分散在非極性溶劑中。

MXenes

中的嵌入在許多應用中的加工、效能和效能方面起著關鍵作用。然而，關於嵌入劑在限制中的性質、它們與具有催化活性的

MXene

奈米片的相互作用以及它們與溶劑（例如，密閉水）的相互作用的瞭解還不夠。大多數工作都集中在

Ti

3

C

2

T

X

中的嵌入。

需要進行基礎和系統的研究才能更好地瞭解

MXenes

中的嵌入，這將允許嵌入

MXenes

的組成、它們的結構、性質和不同應用程式中的行為。

缺陷（例如空位、吸附原子）、它們在合成和加工過程中的演化機制以及它們對

MXenes

穩定性和性質的影響是重要的領域。缺陷工程將允許人們對屬性有更多的控制。

對

MAX

相單晶（即

V2AlC

和

V4AlC3

）的

A

層進行選擇性蝕刻會產生橫向尺寸較大（數百微米）的

MXene

。在這個方向上需要更多的努力來實現大單晶

MXenes

，因為它們的表徵將促進我們對

MXenes

物理特性的理解，這可能會導致電子行業的新應用。例如，仍需提供半導體

MXenes

中帶隙的直接演示。單晶

MXenes

的卷對卷合成仍有待證明，因為到目前為止氣相沉積方法還沒有生產出單層

MXenes

。

已經發表了數百項關於單獨使用

MXenes

或作為新增劑來提高其他材料效能的研究。然而，很少討論

MXenes

的侷限性。更重要的是，對導致效能增強的機制的深入研究是有限的。

MXenes

社群應該向石墨烯社群學習，避免炒作、過度承諾和大量無用和重複的研究，這些研究不會導致我們提高知識或理解這種新材料系統。

各種長度和時間尺度的建模和模擬已被廣泛用於預測

MXenes

在不同應用中的結構穩定性、性質和效能，並且機器學習正在獲得一些動力。然而，我們仍然不知道理論上的

MXenes

的許多物理特性的限制，例如它們的電子導電性。許多其他預測的特性，從鐵磁性到拓撲絕緣體行為，都需要透過實驗來證明。透過解決這些挑戰並進一步改進

MXenes

的合成和特性表徵，人們可以為許多重要的應用開闢道路。

致謝

邁克爾·納吉布

（Michael Naguib）

是肯和露絲

·

阿諾德

（Ken and Ruth Arnold）

科學與工程的早期職業教授，也是杜蘭大學物理與工程物理系的助理教授。在

2018

年加入杜蘭大學之前，他是橡樹嶺國家實驗室的維格納研究員（

2014-2017

）和研究人員（

2017-2018

）。他獲得了博士學位。

2014

年在德雷塞爾大學獲得材料科學與工程博士學位，在開羅大學獲得冶金工程學士學位

/

碩士學位。他的研究重點是用於電化學能量儲存和轉換的新型奈米材料的合成和表徵，包括

MXenes

。

Michel W。 Barsoum

是德雷塞爾大學材料科學與工程系的特聘教授。

1977

年，他獲得了理學學士學位。在埃及開羅的美國大學獲得碩士學位。密蘇里大學羅拉分校，博士。他於

1985

年從麻省理工學院獲得博士學位。他是

MAX

相領域以及最近從

MAX

相衍生的標記為

MXenes

的二維固體領域的國際公認領導者。

Yury Gogotsi

是

A。J。 Drexel Nanomaterials Institute

，傑出大學教授，以及

Drexel

大學材料科學與工程的

Charles T。

和

Ruth M。 Bach

教授。他獲得了學士學位

/

碩士學位。

（1984，

冶金

）

和博士學位。（

1986

年，物理化學）來自基輔理工學院和理學博士學位。

1995

年獲得烏克蘭科學院學位。他的研究方向是二維碳化物和氮化物

（MXenes）

的合成、新型碳奈米結構及其在能源、環保、電子和醫學中的應用。

邁克爾·納吉布

（Michael Naguib）

是肯和露絲

·

阿諾德

（Ken and Ruth Arnold）

科學與工程的早期職業教授，也是杜蘭大學物理與工程物理系的助理教授。在

2018

年加入杜蘭大學之前，他是橡樹嶺國家實驗室的維格納研究員（

2014-2017

）和研究人員（

2017-2018

）。他獲得了博士學位。

2014

年在德雷塞爾大學獲得材料科學與工程博士學位，在開羅大學獲得冶金工程學士學位

/

碩士學位。他的研究重點是用於電化學能量儲存和轉換的新型奈米材料的合成和表徵，包括

MXenes

。

Michel W。 Barsoum

是德雷塞爾大學材料科學與工程系的特聘教授。

1977

年，他獲得了理學學士學位。在埃及開羅的美國大學獲得碩士學位。密蘇里大學羅拉分校，博士。他於

1985

年從麻省理工學院獲得博士學位。他是

MAX

相領域以及最近從

MAX

相衍生的標記為

MXenes

的二維固體領域的國際公認領導者。

Yury Gogotsi

是

A。J。 Drexel Nanomaterials Institute

，傑出大學教授，以及

Drexel

大學材料科學與工程的

Charles T。

和

Ruth M。 Bach

教授。他獲得了學士學位

/

碩士學位。

（1984，

冶金

）

和博士學位。（

1986

年，物理化學）來自基輔理工學院和理學博士學位。

1995

年獲得烏克蘭科學院學位。他的研究方向是二維碳化物和氮化物

（MXenes）

的合成、新型碳奈米結構及其在能源、環保、電子和醫學中的應用。

這篇文章值得好好研讀，我會找時間仔細寫寫MXene材料領域的發展史，側重中國人對MXene發展的貢獻。