寧波材料所先進能源材料工程實驗室應(yīng)邀在《ACS Nano》就MXene材料發(fā)表社論文章
MXenes是一類二維過渡金屬碳/氮化物,化學(xué)通式可以由Mn+1XnTx表示。其中,M為過渡金屬,X為C或N,Tx表示最外層金屬表面基團。自2011年首次報道之后,MXenes領(lǐng)域在合成、表征和應(yīng)用等方面得到廣泛研究。近日,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進能源材料工程實驗室黃慶研究員應(yīng)ACS Nano副主編、美國德雷賽爾大學(xué)教授Yury Gogotsi的邀請,聯(lián)合撰寫了社論(Editorial)文章“MXenes: Two-Dimensional Building Blocks for Future Materials and Devices”,對近年來MXene材料的研究亮點和發(fā)展趨勢進行了評論。
社論文章系統(tǒng)總結(jié)了MXenes的發(fā)展歷程,指出了MXenes能夠從眾多二維材料中脫穎而出的原因:如優(yōu)異的金屬導(dǎo)電性質(zhì)(可達20000 S/cm)、較高的強度和剛度、規(guī)?;暮铣杉夹g(shù)、較好的環(huán)境穩(wěn)定性和生物相容性等。同時,MXenes與其它二維材料相比具有豐富的元素組成和表面化學(xué)行為,在儲能、電催化、透明導(dǎo)體與加熱器、光子與光電設(shè)備、光熱治療、光催化、表面增強拉曼光譜等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
社論文章重點指出了MXene材料的表面化學(xué)多樣性,并介紹了中科院寧波材料所團隊提出的路易斯酸熔鹽刻蝕技術(shù)及其對MXenes表面基團的設(shè)計與調(diào)控的作用。理論和實驗研究均發(fā)現(xiàn),MXenes的物理和化學(xué)性能與其化學(xué)組成和表面基團的構(gòu)型有很大的關(guān)系。然而,受制于溶液法合成的局限性,合成具有相同表面基團的MXenes一直是一大挑戰(zhàn)。路易斯酸熔鹽刻蝕技術(shù)能夠獲得表面為鹵素基團的MXenes材料(J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4730-4737;Nat. Mater., 2020, 19, 894-899),并且通過熔鹽的選擇和陰離子取代技術(shù)可以獲得硫?qū)俸桶犯瘸R?guī)酸刻蝕無法實現(xiàn)的基團。該方法一經(jīng)報道受便受到本領(lǐng)域諸多科研團隊的關(guān)注和廣泛采用,如這些具有鹵素基團的MXenes作為鋅離子電池負極材料展現(xiàn)出色的電化學(xué)性能(Energy Environ. Sci., 2021,14, 407-413),帶有硫?qū)倩鶊F的Nb2C首次發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)性質(zhì)(Science, 2020, 369, 979-983)。
社論文章展望和分析了未來10年(2021-2030年)MXenes研究面臨的挑戰(zhàn)和機遇。該部分內(nèi)容是2020年9月11-14日在中國浙江寧波召開第三屆國際MXene會議期間,由黃慶研究員和Yury Gogotsi教授向全世界本領(lǐng)域知名科學(xué)家和600余名參會者征集和凝練而成,基本反映了本領(lǐng)域研究所關(guān)注的重點方向。其中包括:(1)發(fā)展環(huán)境友好的、安全、高效、規(guī)?;铣煞椒?;(2)利用二維MXenes作為納米構(gòu)成要素發(fā)展具有取向的、復(fù)合的三維納米結(jié)構(gòu);(3)提高MXenes材料的化學(xué)和溫度穩(wěn)定性;(4)電、光、磁、熱、熱電性能和量子局域效應(yīng);(5)表面化學(xué)控制;(6)開發(fā)大尺寸、大面積單晶的MXenes薄膜;(7)開發(fā)自組裝技術(shù)合成取向、層間距可控的MXenes薄膜;(8)探索Ti3C2Tx外的其他MXenes;(9)開發(fā)具有除了O、OH或鹵素等表面基團外的其他MXenes材料和方法,并實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換;(10)探知MXenes納米片間局域離子和分子的遷移和鍵合對MXenes性能和應(yīng)用的影響;(11)探知MXenes在水系和非水系電解質(zhì)儲能器件中的儲能機制;(12)利用MXenes提高陶瓷、金屬、高分子基復(fù)合材料的力學(xué)性能;(13)缺陷對性能的控制;(14)開發(fā)表面基團控制的物理性能(比如超導(dǎo));(15)探知不同過渡金屬和表面基團的MXenes對健康和環(huán)境的安全性或毒性;(16)利用MXenes作為前驅(qū)體合成其他材料;(17)為非Ti3C2Tx的MXenes開發(fā)無有機插層劑的剝離方法,以提高電導(dǎo)率和其他性能;(18)利用非Al的MAX相合成MXenes;(19)利用化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積在真空環(huán)境合成無表面基團的MXenes;(20)探知MXenes薄膜層間的電荷轉(zhuǎn)移機制和控制方法等共計32個挑戰(zhàn)。
ACS Nano期刊在發(fā)表社論文章的同期也編輯出版了首個MXene虛擬期刊(pubs.acs.org/page/ancac3/vi/mxenes?ref=vi_collection)。該虛擬期刊優(yōu)選了49篇從2012年以來圍繞“能源存儲”“傳感與器件”“催化”“電磁波干擾”“生物與復(fù)合材料”和“合成、工藝和結(jié)構(gòu)”等領(lǐng)域MXene研究的重要進展工作。
以上工作發(fā)表于ACS Nano(2021, 15, 5775-5780),黃慶研究員得到了中科院對外合作重點項目、浙江省領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊、寧波市頂尖人才團隊等經(jīng)費支持。

MXene材料的組成元素在元素周期表中的分布及其主要四種晶體結(jié)構(gòu)
(a)路易斯酸熔鹽刻蝕法合成MXene材料示意圖,(b)掃描透射電子顯微技術(shù)揭示MXene材料具有氯表面基團
?。ㄏ冗M能源材料工程實驗室 供稿)