成果簡介眾所周知，插層層狀材料具有獨特的特性，可作為一些制備重要二維（2D）材料的前驅(qū)體。然而，非范德華結(jié)構(gòu)的插層是具有挑戰(zhàn)性的。在此，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所黃慶研究員和美國德雷克塞爾大學(xué)，擁有“Mxene之父”之稱的Yury Gogotsi?教授聯(lián)合報道一種針對層狀碳化物（MAX相）及其二維衍生物（MXenes）的結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)議。其中，間隙開放階段和物質(zhì)插層階段分別由化學(xué)剪刀和插入劑介導(dǎo)，這創(chuàng)造了具有非常規(guī)元素和結(jié)構(gòu)的MAX相以及具有多功能終端的MXenes的龐大家族。使用金屬剪刀去除MXenes中的終端，然后用原子插層縫合2D碳化物納米片，驅(qū)動MAX相和一系列金屬插層2D碳化物的重構(gòu)，這兩者都可能推動從能源到印刷電子等領(lǐng)域的進步。相關(guān)文章以“Chemical scissor-mediated structural editing of layered transition metal carbides”為題發(fā)表在Science上。研究背景插層材料主要是通過將其它物質(zhì)引入到固有層狀的范德華材料間隙（如石墨、六方氮化硼和過渡金屬硫合物）。其中，客體-主體交互改變了電子結(jié)構(gòu)，并為儲能、催化、電子、光學(xué)和磁性應(yīng)用提供了材料設(shè)計前提。Mn+1AXn，或“MAX相”，是一系列三元層狀化合物，通常在M和A原子之間有弱金屬鍵，在Mn+1Xn層內(nèi)存在共價鍵。M表示過渡元素，A是主族元素，X是氮或碳，n是1到4之間的數(shù)字。MAX相中非vdW鍵合需要對A元素進行化學(xué)蝕刻以獲得其二維（2D）衍生物MXenes。MXenes中產(chǎn)生的vdW間隙為插入各種客體提供了空間。陽離子、陽離子表面活性劑和有機分子在vdW間隙中的插層，擴大了MXenes 的層間間距并促進它們分層，使其在儲能、印刷電子、電磁干擾屏蔽和許多其他應(yīng)用中發(fā)揮作用。最近，作者報道了一種路易斯酸性熔鹽（LAMS）蝕刻策略，該策略能夠在MAX相中蝕刻和取代弱鍵合的層間原子，合成了一系列含有過渡金屬和具有純鹵素端的MXenes的MAX相，并探索了作為催化劑和鐵磁和電化學(xué)儲能材料的應(yīng)用。然而，只有少數(shù)LAMS具有作為蝕刻劑和插入劑所需的熱物理（溶解度，熔點和沸點）和化學(xué)（陽離子的氧化還原電位和活性以及陰離子的配位幾何形狀）特性。例如，具有-O，-S，-Se，-Te和-NH終端的MXenes僅通過與溴化MXenes的陰離子交換反應(yīng)來實現(xiàn)。直接使用具有強共價鍵的氧化物或硫化合來提供-O和硫族終端將是一項艱巨的任務(wù)，其高熔點和低溶解度極大地限制了LAMS蝕刻的結(jié)構(gòu)設(shè)計能力。內(nèi)容詳解在本文中，作者引入一種化學(xué)剪刀介導(dǎo)的插層化學(xué)，用于非vdW MAX相和vdW MXenes的結(jié)構(gòu)編輯，擴展了MAX相的組成元素和MXenes的終端的范圍，通過交替使用LAMS和金屬剪刀進行結(jié)構(gòu)編輯，使得MAX相和MXenes直接在熔鹽中剝離成堆疊的薄片，并發(fā)現(xiàn)了一系列二維金屬插層層狀碳化物。其中，化學(xué)剪刀介導(dǎo)的結(jié)構(gòu)編輯策略包含四種反應(yīng)途徑（圖1A）：（i）由于路易斯酸性陽離子和A元素之間的氧化還原電位差異，LAMS剪刀在MAX相中打開非vdW間隙（途徑I）；（ii）金屬原子擴散到層間原子空位以形成MAX相以降低系統(tǒng)的化學(xué)能（途徑II）；（iii）通過用金屬剪刀進行電子注入和打開vdW間隙來去除多層MXenes的表面終端（途徑III）；（iv）陰離子與氧化的過渡金屬原子配位以形成終端的MXenes（途徑IV）。

圖1.?由化學(xué)剪刀介導(dǎo)的MAX和MXene的結(jié)構(gòu)編輯協(xié)議

圖2. 將一個MAX相轉(zhuǎn)換為另一個MAX相

圖3.?從MAX相轉(zhuǎn)換為MXene

圖4.?從MXenes中重構(gòu)MAX相綜上，本文MAX相及其衍生MXenes的化學(xué)剪刀介導(dǎo)的結(jié)構(gòu)編輯提供了一種強大而通用的策略，用于設(shè)計vdW和非vdW分層材料的結(jié)構(gòu)和組成。其中調(diào)節(jié)插層途徑能夠?qū)⒎浅Ｒ?guī)元素摻入MAX相的單原子層中，這是通過傳統(tǒng)冶金反應(yīng)無法實現(xiàn)的，并使終端能夠調(diào)節(jié)MXenes。金屬插層2D碳化物結(jié)合了MAX相和MXenes的獨特結(jié)構(gòu)特征，可以通過金屬剪刀去除MXene的表面終端，以及隨后在MXene薄片之間容納客體原子來構(gòu)建，從而進一步擴展層狀材料系列。未來的工作應(yīng)集中在將這些2D和3D層狀碳化物以及金屬插層2D碳化物分層成單層和幾層納米片，以能夠在儲能，電子和其他應(yīng)用中充分利用這些新材料。

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