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2020年MXenes研究进展回顾

文章来源：北科新材浏览次数：5067时间：2020-12-31 QQ学术交流群：1092348845

在注定不平凡的2020年里，MXenes的研究实现了跨越式的发展，根据Web of Science的数据显示，在2020年MXenes相关的研究论文发表数量已经达到1458篇，考虑到COVID-19疫情对科研工作的影响，相较于2019年全年941篇论文的发表量，取得这样的成绩已经实属不易。今天让我们来带领大家一起盘点2020年MXenes研究中的代表性工作。

登顶Science/Nature

美国阿贡国家实验室与芝加哥大学Dmitri V. Talapin教授在国际顶级学术期刊Science上发表题目为： Covalent surface modifications and superconductivity of two-dimensional metal carbide MXenes的研究论文，报道了一种通过在熔融盐中进行取代和消除反应来对MXene表面的官能团进行调控的通用策略。成功地合成了具有O，NH, S, Cl, Se, Br和Te表面官能团的MXenes，以及没有任何表面官能团的MXenes。所制备的这些MXene具有一些独特的结构与电子性质。表面官能团可以控制MXene晶格中的原子间距离，与TiC晶格相比，具有Te^2- 配体的Ti_n+1C_n（n=1，2）会产生巨大的平面扩展晶格（>18%）。

北京航空航天大学杨树斌教授课题组与美国莱斯大学Pulickel M. Ajayan教授合作在国际顶级学术期刊 Nature上发表题为：Conversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides的研究论文，文章报道了一种拓扑转化法将的范德瓦尔斯固体转化为具有2H/1T相的2D范德瓦尔斯过渡金属硫属化合物。这种转化通过将非范德瓦尔斯固体暴露在硫属元素蒸汽中而实现，可以通过控制反应产物的熵和蒸气压进行控制。杂原子取代（如钇和磷）的过渡金属硫属化合物也可以通过这种方式来制备，因此，这种通用的方法所得到的可以进行相位选择的2D过渡金属硫属化合物在高温下（1373开尔文）具有较好稳定性，与此同时还可以实现单层材料的大批量制备，这对于单层二维材料的发展具有深远意义。

中科院宁波材料所黄庆教授，法国图卢兹大学Patrice Simon教授和四川大学林紫峰教授在国际顶级学术期刊Nature Materials上发表题目为： A general Lewisacidic etching route for preparing MXenes with enhanced electrochemical performancein non-aqueous electrolyte的研究论文。与传统的方法截然不同，论文提出了一种使用Lewis酸熔盐在非传统A元素的MAX相中对A进行选择性刻蚀制备MXenes的方法，并进行了相应的验证。这种方法刻蚀得到的Ti₃C₂MXene应用于储锂时，具有738C g^-1（205 mAh g^-1）的可逆容量以及较高的库伦效率。

国际知名学术期刊Advanced Functional Materials甚至在一天同时上线了七篇MXenes在不同研究领域的综述文章，下面让我们来一起回顾一些具有代表性的综述文章。

山东大学尹龙卫教授与Zhaoqiang Li博士在国际高水平学术期刊Advanced Functional Materials上发表题目为：Interface Chemistry on MXene-Based Materials for Enhanced Energy Storage and Conversion Performance的综述文章，总结了各种合理化微观结构设计的方法，用于提升MXene基材料电化学反应动力学与储能性能。

通过绿色安全的方法可控制备MXenes。纯MXenes的电化学性能与其表面化学（官能团，原子缺陷，异质原子掺杂）与微观纳米结构（层间距与孔径）有很大的关系。因此，合成具有精确层数量，扩大的层间距，可控的表面官能团以及规则的原子缺陷，对于优化其电化学性能非常重要。然而，现有的以HF为主的制备方法并不能满足这个要求。在这方面，无氟法，如CVD技术可能是未来潜在的一种方法制备特定官能团和高纯度的MXenes。
研究者们需要在MXene基储能器件的实际应用方面进行更多的研究。目前关于MXene基储能器件的研究局限于实验室。为了苹果MXene基材料在储能领域的真正潜力，一些因素需要重点考虑：i) 活性材料的负载密度与功率密度；ii）MXene基电极的初始库伦效率仍需要被提升；iii）MXenes的结构稳定性在循环过程中非常重要，通常会影响MXene基储能器件的性能与安全，需要采用更有效的氧化方式减轻MXene的氧化。
MXene基材料在电催化领域的应用需要被进一步探索。探究催化活性位点与反应机理还有很长的路要走。
MXene基电极在不同循环过程中的结构演化以及电化学反应机理需要被“看到”。原位表征，如原位SEM，原位TEM，原位电化学Raman光谱，原位XPS等等将会极大地帮助我们去全面了解MXene基电极在物质组成和结构的变化，如表面官能团与电解液之间的界面与SEI膜的动动态形成过程。

山东大学冯金奎教授在国际高水平学术期刊Advanced Functional Materials上发表题目为：Recent Advances of Emerging 2D MXene for Stable and Dendrite-Free Metal Anodes的综述文章，总结了MXene材料在稳定无枝晶金属负极应用的研究进展，并对未来的研究方向进行了展望：i）增加MXenes用于金属负极时合成方法的多样性；ii）设计更多用于金属负极的MXene基宿主结构；iii）改进MXene与液态电解质；iv）在更多金属负极中探索MXene的应用；v) 设计多样的柔性MXene/金属复合负极；vi）评估实际应用能力；vii）循环再生技术；viii）与先进的技术相结合。

美国迪肯大学Joselito M. Razal教授，德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授与Genevieve Dion教授在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials上发表题目为： MXene-Based Fibers, Yarns, and Fabrics for Wearable Energy Storage Devices的综述文章，总结了制备MXene基纺织电极的技术以及研究进展，以及可控机械，电子与电化学性能的MXene基纤维的发展前景：i) 尺寸：将纤维电极从几厘米扩大到几米；ii）改善纤维电极的机械性能，以承受纤维在纺织品制备中会遇到的机械应力。一旦这些需求得到满足，工业纺织品的优势会加倍。

美国奥本大学Majid Beidaghi教授在国际知名学术期刊 Advanced Functional Materials上发表题目为： A Review of the Effects of Electrode Fabrication and Assembly Processes on the Structure and Electrochemical Performance of 2D MXenes 的综述文章，总结了MXene基电极的组装方式的研究进展，如将MXenes与其他具有电化学活性的纳米材料复合被证明是一种制备高性能电极材料的有效方式。比如MXene与2D TMO异质结可以结合TMO的高比电容以及MXenes的高导电性。同时，二者可以有效地防止聚集与重堆叠，会使电容与倍率性能得到改善。然而，在一些情况下，异质结或复合电极的合成会引入额外的一些缺陷。

由于大多数MXene合成方法都会产生水性分散液，因此湿化学方法经常用于合成MXene基复合材料。这其中，堆叠是合成复合材料的共有问题。使用合适的表面活性剂或许是解决这一问题的实际解决方案，可以通过使用静电吸附来制备和设计复合材料的形貌。然而，在这类过程中，如何除去剩余的表面活性剂是一个很大的问题。

MXene复合物作为电池的电极材料时，MXene主要是作为一种支撑电化学活性更高的材料的导电骨架，设计成稳定的结构，可以承受纳米颗粒在嵌入和脱嵌过程中的体积膨胀，这是非常重要的考量。主要的挑战在于控制复合材料的孔径尺寸以及形貌，保证纳米颗粒在MXene表面均匀的分布。

中科院大连化物所吴忠帅教授在国际著名学术期刊Advanced Functional Materials上发表题目为Recent Advances and Promise of MXene-Based Nanostructures for High-Performance Metal Ion Batteries的研究进展报告，系统地总结了MXenes基纳米材料在离子电池中的研究进展，强调了MXenes既可以作为活性材料，还可以作为导电基底甚至作为集流体。此外，还详细阐述了MXene基复合物在不同维度（0D，1D 和 2D）下的负载，包覆以及形成三明治结构的方法，并提出了对未来研究方向的展望。

新加坡南洋理工大学Jong-Min Lee教授与电子科技大学肖旭教授在国际顶级综述期刊Chem Soc Rev上发表了一篇题目为Transition metal nitrides for electrochemical energy applications的综述文章，总结了过渡金属氮化物基纳米材料最新的研究进展，主要侧重几何结构设计，电子结构工程以及在电化学能源转化与储存中的应用等当面，包括电催化，超级电容器和可充电电池。最后，展望了过渡金属氮化物基纳米材料在未来的研究方向：

对于储能应用：1）超级电容器的稳定电压窗口不仅仅由过渡金属氮化物内在的性能决定，同时也受所使用的的电解液影响，与最常使用的水系电解液相比，离子液体或有机电解液可以提供更高的输出电压，进而产生生更高的能量密度；2）过渡金属氮化物目前最广泛地应用于锂离子电池，但是受限于有限的锂资源，其无法达到实际大规模功率使用的需要。过渡金属氮化物在储量更丰富且更廉价的钠钾离子电池中的应用研究还处于初始阶段。3）过渡金属氮化物具有的高导电性和催化活性可以促进捕获聚硫锂和溶解Li₂S₂/Li₂S时的氧化还原反应动力学特性。然而，详细的催化机理在目前还不是完全清楚，需要更深入地探究。4）从化学组成的角度来说，目前的研究主要集中于在过渡金属氮化物与无机物、碳等的复合，几乎没有引入有机物。考虑到有机物的多样性和多功能性，将过渡金属氮化物与有机物复合可能会启发新的思路。

沙特阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授在国际顶级学术期刊Advanced Materials上发表题目为MXene Printing and Patterned Coating for Device Applications的综述文章，该综述系统地总结了MXenes通过印刷/涂覆方法，以及在不同领域中的应用，并对图形化MXenes未来的发展方向进行了展望。在目前早期发展的阶段，只有少数打印和涂覆的方法被用来沉积和涂覆MXenes材料。尽管一些已经报道的器件具有杰出的性能，更多的研究重点应该放在从实验室研究向实际应用的大规模应用过渡。最终，研究者们需要对优化印刷/涂覆过程所使用的墨水进行详细的研究。面向未来，印刷精细结构的能力的提升会极大地提高器件的性能，更低的生产成本以及集成化的简易性，进而促进MXene基器件的小型化发展。

西南大学徐茂文教授在国际著名学术期刊Advanced Energy Materials上发表题目： MXenes for Non-Lithium-Ion (Na, K, Ca, Mg, and Al)Batteries and Supercapacitors综述文章，系统地总结了MXene在非锂离子储能技术中的合成，结构，性能以及应用，并对未来的发展方向做出展望：

i) 找出MAX相材料与MXene材料大规模制备的限制因素与短板，降低合成成本，探寻影响合成过程的关键因素，探索新颖的环境友好的刻蚀方法。

ii）探索MXene纳米片与不同溶剂之间的反应机制，提高MXene分散液在水和有机溶剂中的稳定性，如添加抗氧化剂等策略。

iii）研究MXene表面化学对性能的影响。

iv）深化理论模拟的计算能力，通过理论模拟来设计更多潜在的MAX和MXene相材料。

v) MXene基固态二次电池的研发与应用。

vi）通过合理的结构设计，充分利用MXene的结构优势，提高其体积容量

vii）研发柔性透明的MXene膜用于未来可穿戴电子器件。

viii）MXene基混合型超级电容器，兼备高功率密度和能量密度，具有较高的实用价值。

湖南大学Jilei Liu教授在国际著名学术期刊Advanced Energy Materials上发表题目：The Role of Cation Vacancies in Electrode Materials for Enhanced Electrochemical Energy Storage: Synthesis, Advanced Characterization and Fundamentals综述文章，系统地总结了阳离子空位基的电化学储能材料的最新进展，包括相应的合成方式和表征技术，以及从化学材料的角度定位其在实际应用中的角色，未来发展的关键挑战以及机遇，尤其是阳离子缺陷的过渡金属氧化物以及新兴的过渡金属碳化物（MXene）。许多有效的策略可以用来促进阳离子缺陷的形成，调整空位的浓度，包括变价的阳离子/阴离子掺杂，在具有不同pH值的溶液中保持平衡，选择性去除成分中的阳离子，在缺陷诱导的气氛中退火处理和等离子刻蚀。未来研究的方向主要体现在以下几个方面：

i) 阳离子空位及其空间分布的定量测定，尤其是在高度无序的纳米结构中，这方面仍然具有挑战性。

ii）缺陷结构一般是亚稳态的，因此，阳离子缺陷材料（尤其是那些具有大比表面积和多孔的纳米结构材料），通常会遇到物理化学不稳定的问题。

iii）为了准确地了解阳离子空位的作用，我们需要排除其他影响金属氧化物/碳化物性能的因素。

iv）尽管阳离子空位的存在导致储存电荷容量和速率得到增强，但尚不清楚阳离子空位在金属氧化物/碳化物中改善其储能性能的作用。

美国纽约大学Andre´ D. Taylor教授在国际著名学术期刊Matter上发表题目为Layer-by-Layer Assembly of Two-Dimensional Materials: Meticulous Control on the Nanoscale 的综述文章，逐层组装技术提供了一个独特且通用的方式来将2D材料的特殊性性质展现在宏观器件上，并且可以创新性的设计出新型2D材料基功能复合物。最重要的是，逐层组装技术可以达到同时控制2D材料厚度与分层结构的效果，进而在很多应用领域中使材料可以实现最佳的性能优势。石墨烯基材料，MXenes以及TMD的独特性能以及较强的ζ-电势和易于分散在水中的特性，使其成为逐层组装技术的最佳候选者。通过该组装技术制备的复合物，与其相对应的非逐层组装的复合物相比，性能得到了极大地提升，这得益于在纳米尺度上对界面接触与厚度的控制，阻止了2D材料的重堆叠问题。通过2D材料的逐层组装，可以利用多种可能性来扩展我们已知的高性能材料。原则上，扩展具有成分多样性的MXene和TMD复合材料体系至关重要，也是未来研究方向的重点。随着研究者们不断扩展研发新型独特的具有分层结构的2D材料家族，逐层组装的未来前景非常广阔。

中国科技学技术大学宋礼教授与Shuangming Chen博士在国际著名学术期刊Advanced Functional Materials上发表题目为Tuning 2DMXenes by Surface Controlling and Interlayer Engineering: Methods, Properties,and Synchrotron Radiation Characterizations的综述文章，全面系统地总结了MXenes基纳米材料在表面控制，层间工程和基于同步X射线吸收表征。虽然MXenes的表面官能团与层间工程对其结构和应用具有很重要的影响，但是对单个官能团的影响的研究通常局限于理论计算当中。因此，仍然需要新颖的合成方法与后续的加工处理方法来制备具有特定表面官能团的MXenes。研究者们需要更加努力地研究通过特定插层剂进而实现选择性插层，进而提升性能。另一方面，具有杰出性能的MXene基复合材料的设计对于其在各个领域的突破也至关重要。值得注意的是，受益于SR光源的发展以及在相应领域中对MXenes的结构与机理深入研究的需求，许多除XAS外其他SR基表征方法亟待研发用来探索并MXenes材料的发展，如SXRD, SXPS, 基于XR的FTIR和APXPS技术等等。

深圳大学张晗教授在国际知名学术期刊Chemistry of Materials上发表题目为MXene/Polymer Membranes: Synthesis, Properties, and Emerging Applications的综述文章，该综述首先讨论了2D MXenes的合成方法与性能，其可作为MXene/Polymer复合膜的前驱体。其次，总结了MXene/Polymer复合膜的组装策略以及性能。此外，还总结了MXene/Polymer复合膜的应用，如过滤，电磁屏蔽，超级电容器，传感器等等。MXene/Polymer复合膜的性能与MXene纳米片的分布有很大的关系。据报道，在合成MXene/Polymer复合膜的过程中，MXene可能产生聚集，进而产生多尺度相分离。因此，需要将研究重点聚焦于改善MXene纳米片在聚合物基质的分散性上，这可以通过对聚合物链进行合适的官能团化，进而实现增强的MXene纳米片与聚合物的接触。

沙特阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授在国际顶级综述期刊Chem Soc Rev上发表题目为：MXene hydrogels: fundamentals and applications的综述文章，总结了各种MXene基水凝胶系统的不同结构，以及凝胶化机理以及相应的驱动力。原则上，类似于其他水凝胶，基于MXene的水凝胶的凝胶化包括共价和非共价交联两种方式；由于缺乏对基本问题的研究，如MXene纳米片与水凝胶体系中其他组分之间的质量/电荷传输，组装过程的动力学/热力学以及各组分之间的相互作用的机理；目前基于MXene水凝胶的现有器件都是人工制备的，停留在实验室层面，难以复制或批量生产，这也是未来研究者们需要专注的方向。

由黄庆研究员和Yury Gogotsi教授主办的第三届国际过渡金属碳化物（MXenes）学术研讨会在中科院宁波材料所顺利举办。对未来十年MXene发展的方向进行了展望。

（PS：高清原图可在后台输入“MXene挑战”得到哦~）