AFM综述：2D MXenes的表面调控与界面工程

【研究背景】

在过去的几年中，从2011年MXenes被首次报道以来，已经得到了科研工作者们广泛的关注，掀起了一股MXenes研究的热潮， 超过150种不同的MAX相和超过30种MXenes被合成和研究。得益于MXenes独特的物理和化学性质，其杰出的生物相容性在很多不同的应用领域都有巨大的潜力，如基于Mo₂CT_x的光电探测器，其利用了MXene固有的等离子激元辅助热载流子生成特性；基于MXene/Kevlar纳米纤维膜的纳米流体渗透发电机；Ti₃C₂T_x基薄膜用于水净化；3D MXene/GO泡沫的太赫兹吸收以及Ti₃C₂MXene膜的热声器件等。

与此同时，能量储存和转换领域，如超级电容器，可充电电池与催化剂已经被广泛地研究，得益于MXene较大的层间距与可控的表面官能团。更重要的是，表面官能团的调控修饰与层间工程，可以提供更多的电化学活性位点并改进电子结构进而提升MXenes的性能，这在能源相关领域的应用中已经得到了证实。

近日，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 2D MXenes 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，并展望了MXenes材料及其应用在先进的X射线表征方法的前景。

【图文导读】

图1. MXene基纳米材料的合成策略，表面改性，层间工程以及同步辐射。

图2. 对于MXenes表面官能团的结构探究。

图3. 由MAX相选择性刻蚀A原子而得到在表面或边缘具有官能团的MXenes的制备方法总结。

图4. MXenes材料的可控表面官能团与缺陷对于其电子结构与性能的影响。

图5.通过不同插层方式来实现MXene的插层工程。

图6.通过XAFS表征对制备的MXene插层工程处理前后的结构性质探索。

图7.通过Soft X-ray吸收光谱对MXenes的结构进行研究。

图8.MXenes的非原位以及原位XAFS研究。

图9.改进修饰的MXene材料应用于电池。

图10.改进修饰的MXene材料应用于催化。

【总结与展望】

MXenes及MXenes基材料已经在很多的研究领域展现出了极大的潜力，原因在于其丰富的表面官能团与可控的层间距。与此同时，很多种表征方法已经被研发并应用于对MXenes材料的结构与动力学机理进行探究。此外，基于同步加速器辐射源的XAFS表征用于探究MXenes的结构与动力学机理也十分有帮助。由于其具有短距灵敏性以及元素的特异性，在探究MXenes的微观结构具有很大的优势。得益于光电子的多次和单次散射，XANES和EXAFS在探究MXenes的氧化态以及吸收原子的局部结构时展示出了足够的敏感性。截至目前，MXene及MXene基材料已经被证明基于其表面改性和层间工程技术，在超级电容器，电池，催化和许多其他领域具有很大的优势与潜力。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。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202000869

信息来源： MXene Frontier