Science：MXene共价表面改性与超导电性

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二维（2D）过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）在超级电容器，电池，电磁屏蔽，复合物以及催化剂等应用中得到了广泛的研究。MXenes通常由其相应的MAX相材料通过刻蚀而得到，如水系的HF溶液，这会使得到的MXene具有一些官能团，如-F，-O和-OH等。这些官能团可以被化学改性，这与如石墨烯与过渡金属硫属化合物等其他2D材料截然不同。近期的理论计算表明，MXenes的选择性官能团可以产生一些杰出的性能，如非闭合/闭合能带隙，室温电子移动速率（10⁴ cm²/Vs），广泛可控的功能，半金属性以及2D铁磁性。MXene共价功能化界面被认为可以启发2D功能材料的合理设计的新方向。

最近，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不急眼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%）。此外，Nb₂C MXenes表现出了依赖于表面官能团的超导性。

图1. MXenes在熔融无机盐中的表面反应。A）在Lewis酸性熔融盐中刻蚀MAX相材料的过程；B）Ti₃C₂Br₂MXene纳米片的原子尺度HAADF图像；C）Ti₃C₂Br₂MXene的EDX元素分析；D）Ti₃C₂Te 和E）Ti₃C₂S MXene；F）Ti₃C₂□₂ MXene（□代表缺陷）的HAADF图像。

图2. Ti₃C₂T_n 多层MXenes的分层。A）分层过程示意图；B）Ti₃C₂T_nMXenes稳定的胶体溶液的光学图像；C）Ti₃CCl₂ MXene 片的TEM图像；D）多层MXene以及分层的纳米片的XRD图谱。

图3. 在MXene晶格中表面官能团可以诱发巨大的应变。A）Ti₂CT_nMXenes中局部原子的距离（T=S，Cl，Se and Te）;  B) Ti₂CT_nMXenes的晶胞；C）晶面晶格常数；D）Ti₂CTe MXene的晶胞；E）表面基团引起的Ti₃C₂T_n MXene晶格的双轴应变。

图4. Nb₂CT_nMXenes的电子传输和超导电性。A）Nb₂AlC MAX 和Nb₂CCl₂ MXene与温度相关的电阻率；B）不同官能团以及Nb₂CS₂ MXene的温度相关电阻率。

文献链接：

DOI:10.1126/science.aba8311