什么是MXenes？

MXenes是一類(lèi)具有二維層狀結(jié)構(gòu)的金屬碳化物和金屬氮化物材料，是由MAX相處理得到的類(lèi)石墨烯結(jié)構(gòu)。MAX相的具體分子式為M n+1 AX n ( n = 1, 2 or 3)，其中M指的是前幾族的過(guò)渡金屬，A指的是主族元素（如Al、Si或Ga），X指的是C或N。MXenes的分子式為M n+1 X n T x ，其中T x 代表表面元素（如O、OH或F）。

MXenes具有許多優(yōu)異的性能，例如高電導(dǎo)率、高比容量、高比表面積、可調(diào)節(jié)的帶隙、可控制的表面官能團(tuán)等，因此在儲(chǔ)能、光電、生物醫(yī)學(xué)、通信和環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

MXenes的傳統(tǒng)合成方法有什么問(wèn)題？

MXenes通常是通過(guò)蝕刻層狀三元化合物（MAX相）來(lái)合成的。這種方法需要使用含氫氟酸溶液或路易斯酸熔鹽選擇性地蝕刻出A層元素，然后通過(guò)插層劑將MXene片層分離。這種方法不僅會(huì)產(chǎn)生大量的廢液和廢氣，而且會(huì)限制MXenes的種類(lèi)和規(guī)模。

首先，不是所有的MAX相都能被有效地蝕刻，例如含有Nb或Mo等高價(jià)過(guò)渡金屬的MAX相。其次，蝕刻過(guò)程中會(huì)引入不同類(lèi)型和數(shù)量的表面官能團(tuán)，導(dǎo)致MXenes的性能不穩(wěn)定和不可重復(fù)。最后，蝕刻方法難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，因?yàn)樗枰罅康娜軇┖湍茉?，并且?huì)造成環(huán)境污染。

MXenes有沒(méi)有更好的合成方法？

美國(guó)芝加哥大學(xué)Dmitri V. Talapin教授課題組在最新一期《Science》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于MXenes直接合成和化學(xué)氣相沉積的研究報(bào)告，展示了一種可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)地合成MXenes的新方法，通過(guò)金屬和金屬鹵化物與石墨、甲烷或氮的反應(yīng)，包括尚未從MAX相合成的化合物。

二維過(guò)渡金屬碳化物和氮化物 (MXenes) 是為各種應(yīng)用而積極研究的一大類(lèi)材料，尤其是在儲(chǔ)能領(lǐng)域。MXenes 通常是通過(guò)蝕刻層狀三元化合物（稱(chēng)為 MAX 相）來(lái)合成的。我們通過(guò)金屬和金屬鹵化物與石墨、甲烷或氮的反應(yīng)，展示了一種可擴(kuò)展且原子經(jīng)濟(jì)地合成 MXenes 的直接合成路線，包括尚未從 MAX 相合成的化合物。直接合成使 MXene 地毯的化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)和復(fù)雜的球晶狀形態(tài)成為可能，這些形態(tài)通過(guò) MXene 地毯的彎曲和釋放形成，以暴露新鮮表面以進(jìn)行進(jìn)一步反應(yīng)。?直接合成的 MXenes 顯示出出色的鋰離子嵌入儲(chǔ)能能力。

這種方法有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

● 可以直接從金屬原料合成MXenes，避免了蝕刻過(guò)程中產(chǎn)生的廢液和廢氣；

● 可以控制反應(yīng)條件和前驅(qū)體比例，實(shí)現(xiàn)不同組分和結(jié)構(gòu)的MXenes；

● 可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積在不同基底上生長(zhǎng)MXenes薄膜，實(shí)現(xiàn)大面積、均勻、連續(xù)的覆蓋；

● 可以通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和氣氛，實(shí)現(xiàn)MXenes的表面官能團(tuán)的控制和調(diào)節(jié)；

● 可以通過(guò)金屬鹵化物的選擇，實(shí)現(xiàn)新型含鹵素的MXenes的合成，例如Ti2CCl2 。

【圖文參考】

MXenes的直接合成和化學(xué)氣相沉積有什么應(yīng)用？

研究人員利用這種方法合成了多種MXenes，包括Ti 2 CCl 2 、Ti 3 C 2 Cl x 、Mo 2 TiC 2 T x 、Mo 2 Ti 2 C 3 T x 等，并對(duì)它們的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征。他們發(fā)現(xiàn)，直接合成的MXenes具有優(yōu)異的鋰離子嵌入儲(chǔ)能能力，在0.1 A g-1下可實(shí)現(xiàn)286 mAh·g?1最大容量，略高于之前報(bào)道的MS-Ti 2 CCl x MXene優(yōu)化后的性能。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，直接合成的MXenes具有獨(dú)特的形貌和結(jié)構(gòu)，例如“地毯狀”薄膜和球晶狀形態(tài)，這些形態(tài)具有更容易接近的表面和暴露的催化活性邊緣，為進(jìn)一步的反應(yīng)和應(yīng)用提供了新的可能性。

這項(xiàng)研究為合成新的MXenes開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)，特別是對(duì)于相應(yīng)的MAX相不穩(wěn)定或不存在的情況，并指出通過(guò)直接合成改進(jìn)現(xiàn)有MXenes的可擴(kuò)展性會(huì)促進(jìn)它們?cè)谠S多實(shí)際應(yīng)用中的使用。

總結(jié)

MXenes是一類(lèi)具有優(yōu)異性能和廣泛應(yīng)用前景的二維材料，但傳統(tǒng)的合成方法存在諸多問(wèn)題。美國(guó)芝加哥大學(xué)Dmitri V. Talapin教授課題組在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于MXenes直接合成和化學(xué)氣相沉積的研究報(bào)告，展示了一種可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)地合成MXenes的新方法，通過(guò)金屬和金屬鹵化物與石墨、甲烷或氮的反應(yīng)，包括尚未從MAX相合成的化合物。這種方法不僅可以避免蝕刻過(guò)程中產(chǎn)生的廢液和廢氣，而且可以實(shí)現(xiàn)不同組分和結(jié)構(gòu)的MXenes，并且可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積在不同基底上生長(zhǎng)MXenes薄膜。直接合成的MXenes具有優(yōu)異的鋰離子嵌入儲(chǔ)能能力，并且具有獨(dú)特的形貌和結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步的反應(yīng)和應(yīng)用提供了新的可能性。這項(xiàng)研究為合成新的MXenes開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)，并指出通過(guò)直接合成改進(jìn)現(xiàn)有MXenes的可擴(kuò)展性會(huì)促進(jìn)它們?cè)谠S多實(shí)際應(yīng)用中的使用。

* 資料來(lái)源于：DOI: 10.1126/science.add9204