MXenes复合材料的发展：界面调控及结构设计

二维过渡金属碳（氮）化物（MXenes）作为一类新兴的二维材料，因具有独特的亲水性、优异的力学性能、丰富的表面官能团、高导电率、光热以及光电效应等性能而成为研究热点, 广泛应用在电磁屏蔽、电化学储能、生物医药、分离、传感器和海水淡化等领域。虽然MXenes具有这些优异的性能，但是其存在的与疏水性高分子相容性差、带负电的官能团阻碍电解质运输及易氧化等问题限制了其实际应用。近年来，通过对MXenes进行界面调控以解决其固有缺陷，并在此基础上对MXenes进行针对性的结构设计以提升界面稳定性，其性能得到了进一步提升。

近日，东北林业大学材料科学与工程学院谢延军教授、梁大鑫副教授团队在“三高”期刊《高等学校化学学报》发表题为“MXenes复合材料的发展:界面调控及结构设计”的综述性文章，文章第一作者为博士研究生巴智晨。文章以二维过渡金属碳（氮）化物（MXenes）的界面调控及结构设计为主题，系统性地综述了MXenes复合材料的研究进展，重点介绍了MXenes复合材料的可控制备、常规表征及热点研究方向。另外，文章也重点关注了MXenes的结构和性质及MXenes在复合材料中的界面调控手段，对MXenes复合材料的结构设计进行了阐述。

图1 （A）MAX相的结构及其对应的MXene；（B）Ti₃AlC₂的制备过程及多层/单层结构

图2 （A）多层MXene的SEM；（B）单层MXene的TEM图像及SAED图样

图3 具有不同表面原子排布MXene的三维结构模型：侧视图（A）结构类型I，（B）结构类型II，（C）结构类型III；（D）和（E）分别为（A）和（B）的俯视图，（C）为结构类型I和II的结合

图4 Ti₃C₂, F-Ti₃C₂ 和TMA-Ti₃C₂的接触角测试图（从左至右）；（B）N掺杂示意图；（C）烷基膦酸接枝MXene的过程示意图及修饰前后样品图

图5 （A）硅烷偶联剂修饰MXene的示意图；（B）MXene及AEAPTMS-MXene的zeta电位随pH变化曲线；（C）带正电的功能化MXene和带负电的MXene混合后样品状态图

图6 （A）MXene界面层及不同官能团与碘原子结合能示意图；（B）制备CTAB修饰MXene的示意图（C）PANI/MXene制备图。

图7 （A）MXene/PDAC图层的制备示意图；（B）MXene涂附在不同表面上的照片；（C）Terrain sensor测试

图8 Ni修饰MXene的相关表征

图9 MXene海水淡化膜、化疗和理疗应用。

图10 MXene界面复合示意图

图11 MXene复合材料的结构设计

图12 不同维度的MXene

图13 JANUS结构示意图

图14 MXene梯度冷却制备各向异性结构

通过对MXenes的结构和性质的充分了解，可以认识到MXenes的优势以及可应用的领域，同时为其界面调控和结构优化打下理论基础。可通过刻蚀、插层等方法在MXenes表面形成丰富的官能团，并经由不同的物理化学手段进行调控（官能团去除或替换、掺杂、接枝等）来进一步提升MXenes复合材料的性能。在此基础上，对MXenes在复合材料中的结构进行优化，以提高复合材料的结构稳定性和界面结合强度，可进一步提升其使用性能。通过对相关研究工作的总结可知，MXenes经过改性和结构优化后，电化学、光热、微波吸收、亲疏水等特性均大幅提升。可以通过对MXenes表面的化学调控来提升MXenes的热稳定性、化学稳定性以及抗氧化性能。最后，对于结构设计，目前主要是对MXenes二维纳米片结构的设计以及二维、三维复合结构的研究，需要在现有的基础探索MXenes对复合材料性能的影响机制，从而有利于加深其性能的理解和调控。

文章最后讨论了当前该领域内MXenes复合材料在可控制备及界面结构依赖性研究方面存在的问题及挑战，对未来MXenes复合材料及异质器件的研究突破寄予展望。