北科納米可提供MXenes材料（可定制）

研究摘要

得益于出色的親水性與導(dǎo)電性、超高的體積電容與豐富的表面化學(xué)特性，MXenes在催化、儲(chǔ)能、電磁屏蔽與生命科學(xué)領(lǐng)域中表現(xiàn)出獨(dú)特且優(yōu)異的性能。通常來講，MXenes通過對相應(yīng)的陶瓷相刻蝕而得到，因此對于MXene的制備來講，金屬原子在表面不可避免的暴露與陰陽離子的存在是主要挑戰(zhàn)之一。由于刻蝕得到的MXenes常出于一種熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)，因此其傾向與氧與含氧官能團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)，從而形成金屬氧化物等，這會(huì)對活性與性能產(chǎn)生不利影響。因此，提升MXenes基材料的穩(wěn)定性在相關(guān)應(yīng)用中具有重要的研究價(jià)值。然而，關(guān)于這方面的綜述還比較少，鑒于此，南京信息工程大學(xué)Yizhou Zhang、清華大學(xué)莊澤超與上海交通大學(xué)Qi Kang教授研究團(tuán)隊(duì)在《Nano Research》發(fā)表最新綜述，從以下幾個(gè)方面對MXene材料的穩(wěn)定性研究進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)：（i）影響MXene基材料穩(wěn)定性的因素，包括MXenes片的氧化、MXene膠體溶液的穩(wěn)定性以及MXene薄膜的溶脹與衰減；（ii）優(yōu)化MAX相合成并改進(jìn)MXenes制備條件的策略，以提升MXene基材料的穩(wěn)定性；（iii）通過控制儲(chǔ)存條件、在MXene片的表面或邊緣形成屏障的方式，以研究用于延長新制備MXene基材料穩(wěn)定性的新技術(shù)。最終，對高活性與穩(wěn)定性的MXene材料的制備值得研究的方向進(jìn)行了展望。

圖文導(dǎo)讀

圖1.?Mn+1XnTx的構(gòu)成元素與MXenes的不同結(jié)構(gòu)。

圖2.?影響MXenes穩(wěn)定性的策略及其相應(yīng)的改進(jìn)策略總結(jié)。

圖3.?MXenes的氧化過程模擬：在三種環(huán)境中MXenes的氧化速率。

圖4.?不同條件下Ti3C2Tx的氧化過程。

圖6.?有序化高度穩(wěn)定的V2CTx?MXene得制備過程與穩(wěn)定性。

圖7.?MXenes在制備、使用與存儲(chǔ)過程中的氧化問題與穩(wěn)定性提升策略。

圖8.?MXenes在NaAsc溶液與去離子水中分散時(shí)的穩(wěn)定性。

圖9.?MXenes的硅烷化改性過程提升穩(wěn)定性。

圖10.?利用蠶絲絲素對MXenes進(jìn)行改性。

圖11.?通過碳包覆的方式提升MXene穩(wěn)定性。

總結(jié)

延緩或阻止MXenes的氧化對于在MXene基材料的設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用都非常重要，重點(diǎn)在于如何提升MXenes的穩(wěn)定性。相信在全世界范圍內(nèi)科學(xué)家的共同努力下，在不久的將來可以實(shí)現(xiàn)MXene基材料的高效、綠色與大批量制備。總的來說，需要從以下幾方面努力：

（a）優(yōu)化MAX相的合成：

?MAX相的合成一般是通過引入過量的含有過渡金屬、C/N與A元素的化合物。這樣做的目的在于保證MAX相刻蝕后的MXene材料具有較高的穩(wěn)定性與活性。通過形成與其他材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)也可以提升活性與穩(wěn)定性。舉例來說，在MAX與C3N4中有很多N原子，每個(gè)N原子的孤對電子會(huì)導(dǎo)致MAX相前驅(qū)體表面局部負(fù)電荷的分布。形成MAX/C3N4復(fù)合物通過刻蝕與剝離從而得到MXenes/C3N4異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性與活性。

（b）改進(jìn)MXene的制備條件：

目前，MXenes材料主要通過濕法化學(xué)剝離得到，因此，表面缺陷、官能團(tuán)與不完全反應(yīng)的產(chǎn)物是不可避免的。通過非水性溶劑刻蝕MAX相從而制備MXenes材料，或通過化學(xué)氣相沉積的方式生長MXene薄膜是具有潛力的策略。最近，研究人員已經(jīng)成功地通過一步法制備出一種新型的MXenes-Ta2CS2，這種有序的S官能團(tuán)化的MXene制備不需要任何對含Al前驅(qū)體的刻蝕過程。該過程可以有效低聲MXens材料的穩(wěn)定性與電化學(xué)性能，對于通過非MAX相前驅(qū)體制備新型MXene材料具有重要的借鑒意義。

（c）MXenes的后處理：

? ? ?（i）利用氮對缺陷（包括空位與吸附原子）和碳進(jìn)行取代可以調(diào)控MXenes的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升其穩(wěn)定性與活性；（ii）由于MXenes的氧化來自于其帶正電的邊緣，將這些邊緣與負(fù)電性的材料結(jié)合科一提升其穩(wěn)定性，比如在MXene的邊緣中負(fù)載碳量子點(diǎn)可以很好地防止氧化問題；（iii）MXenes材料的氧化主要來自于水和氧氣。為了避免這種情況，在MXenes的表面高親水性的官能團(tuán)，如-F、-OH與-O-，對其進(jìn)行改性從而使MXenes轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?。改進(jìn)后，M與X位點(diǎn)的固溶體行為與多樣的官能團(tuán)可以制備大量的MXene材料；（iv）通過插層，MXenes的穩(wěn)定性受插層試劑及其與MXene的相互作用影響。

文獻(xiàn)鏈接

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4312-8