JEC综述：MXene的界面组装

MXenes，二维（2D）过渡金属碳化物、碳氮化物或氮化物，是一类迅速发展的前沿2D材料，具有在所有溶液法制备的2D材料中最高的电子导电性、由于纳米级铜或铝的最佳电磁屏蔽性能、与赝电容器最高的体积比电容等优势，在几年来在许多不同的应用领域得到了广泛的研究关注。MXenes具有一些独特的表面化学特性，比如在刻蚀后，MXenes表面通常会带有一些亲水性的官能团，为MXene基复合材料的组装提供了无限的可能。特别地，在液-液、液-固、液-气与固-固界面处的组装可以形成多样化的结构，比如MXene表面活性剂、MXene异质结构与MXene透明膜等。MXene的界面组装对于探索MXene的更多功能以及对基于MXene的新型结构的影响，对于提高器件的性能具有重要意义。最近，瑞士联邦理工学院及研究所联合体张传芳（John）教授在国产高水平期刊Journal of Energy Chemistry上发表了一篇题目为Interfacial assembly of two-dimensional MXenes的综述文章，总结了基于MXene材料的界面组装技术，以及不同组装技术的组装机制及其相应的代表性材料。并对复合结构的应用进行了简短的讨论。

图1. 纯MXene膜的界面自组装。

图2. Janus界面组装制备的纯MXene材料。

图3. MXene的静电组装。

图4. MXene基异质结构的设计。

图5. MXene气凝胶的制备。

图6. 金属离子驱动MXene水凝胶的制备。

对于纯MXene的组装，首先需要克服纳米片之间的静电力，可以通过降低界面张力或瑞利-贝纳德对流实现纳米片之间的自组装。

纯MXene膜的界面组装是制备应用于透明储能与透明电磁屏蔽应用中，透明导电电极的最直接方法。然而，由于纳米尺度的厚度，所制备的膜在室温环境下容易氧化。如何通过有效的方法在不牺牲透明度和导电性的前提下使纯MXene膜免于氧化是未来需要研究者们需要努力的方向。

对于MXene基复合材料，组装过程主要依靠MXene独特的表面化学特性，比如具有电负性的极性官能团，-OH,-O和-F等。这些官能团可以通过静电力吸附客体物质，或促进异相成核，或诱发凝胶化，从而实现纳米片的交联。因此，2D复合膜、具有微观3D结构的2D大孔组装与3D气凝胶得以实现。这些多维度的结构可应用于包括电化学储能、传感、催化、环境保护与电磁屏蔽等众多不同的研究领域。

MXene基复合材料的界面组装从杂化、静电组装到交联与凝胶化，特别适合于厚电极或3D大孔结构，比如气凝胶。这些MXene结构具有杰出的电荷储存性能与电磁屏蔽效率。然而，实际的组装过程更加复杂，并且组装后的复合材料的电子电导率要低很多，从而限制其在高导电率应用中的潜力。

尽管MXene的组装已经取得了一定的进展，但是MXene结构的合理化设计还有很大的提升空间。首先，探索表面化学如何对MXene纳米片与客体之间的组装行为实现精确控制。特别地，用其他官能团取代-OH基团会改变表面的电荷密度，探究这种变化对组装行为的影响至关重要。其次，在组装过程中对多孔传输通道进行结构设计仍然颇具挑战。对于需要较高比表面积的应用来说，比如储能和电磁屏蔽，适当的微/介孔通道有利于性能的提升。第三，MXene膜的稳定性还没有被广泛的研究，尤其对于在水界面组装的MXene膜，由于水分子可以氧化MXene，在含水界面的组装，需要确认水分子是否嵌入到MXene层间。需要探索出有效的方法去除这些氧化剂。与此同时，MXene结构的热力学稳定性需要被深入研究。最后，针对实际应用中的MXene基的大批量界面组装技术需要被进一步研究，这需要结合MXene稳定的胶体溶液的大批量制备的技术。

文献链接：

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.12.036