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二维MXenes的最新进展！从制备、插层到其在柔性器件方面的应用
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文章信息
二维MXenes的最新进展：制备、插层及其在柔性器件方面的应用
第一作者：徐金新，彭婷通讯作者：石胜伟*，於黄忠*，陈冰*单位：武汉工程大学，华南理工大学，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院
研究背景
二维材料MXene由于其独特的结构、优异的性能自2011年在Derexl大学发现以来便受到了广泛的关注。MXene材料的制备大多都是来自于对其前驱体MAX相的刻蚀得到，其中M代表的是元素周期表中的过渡金属元素，A为主族元素，一般为Al或Si，X为C或N。得益于MXene在电子、光学、生物相容性等方面的卓越的性质，使其在能源存储、电磁屏蔽、传感以及生医学物等众多领域都有着十分成熟的应用。另外，MXene材料家族种类丰富，经过化学刻蚀其表面会含有丰富的表面基团且经过后处理等过程可实现对表面基团的调控，实现材料性质的多样化。因此，MXene是二维材料领域中研究的一个重点方向。本文总结了过去10年间MXene的合成路线的发展，简要说明了有关MXene的插层方法，并且谈论了MXene在柔性器件方面的应用。
文章简介
基于此，来自武汉工程大学的石胜伟教授与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的陈冰副研究员以及华南理工大学的於黄忠教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表了题为“Recent Advances in 2D MXenes: Preparation, Intercalation and Applications in Flexible Devices”的综述性论文。该论文主要介绍了MXene的合成方法的发展历程并简要的分析了这些方法制备的内在机理，对MXene的插层原理以及插层剂的使用做出了概述，详细的讨论了MXene这类二维材料在柔性器件领域中的应用，并对MXene二维材料的未来发展趋势进行了展望。
图1 MXene的合成路线及其在柔性器件领域中的应用
本文要点
要点一：MXene材料的合成方法
MXene的合成主要是来自于对其前驱体MAX相的刻蚀得到，通过选择性的刻蚀掉其中的A层元素制备得到二维层状的MXene材料。目前，MXene的合成路线多种多样，最初是使用氢氟酸对其进行刻蚀，可以获得具有明显的“手风琴”形貌的二维MXene。但使用氢氟酸在实验操作中具有一定的危险性，因此在之后发展出了一系列的基于氟基刻蚀的溶液合成法，其中目前使用最广泛的是LiF和HCl路线的刻蚀方法。除了氟基刻蚀以外，一种无氟刻蚀的方法——Lewis酸熔融盐合成法可以实现对MAX相的刻蚀，并且十分具有价值的是这种方法能够实现对其表面基团的控制及调节，对于拓展MXene材料的应用具有十分重要的意义。另外，文中介绍了两种基于物理方法固态刻蚀MAX相制备MXene的方法，紫外诱导选择性刻蚀Mo2Ga2C制备Mo2C和热还原Ti2SC制备Ti2C的方法，是在MXene合成方法中一次有意义的尝试。文中总结了不同合成路线的反应温度，以及不同的方法对于MXene的表面基团的影响。
要点二：MXene刻蚀后的插层处理
在经过选择性地刻蚀掉MAX相中的A层元素以后，为获得具有更大的层间距以及提高MXene的产率，进行插层处理是十分必要的。本文中总结了在过去实验中使用的常用插层方法，总结了在插层过程中使用的化学试剂以及阳离子，并给出了每种方法对于MXene层间距的影响。大的层间距对于提高MXene的光学特性，电化学领域中的离子传输等都是十分重要的，在插层过程中不仅能够扩大层间距而且部分方法还可以实现对MXene表面基团的功能化。因此，对于插层方法的研究也是MXene中研究的一个重点。
要点三：MXene在柔性器件中的应用
MXene材料本身具备众多优异的性质，通过真空抽滤的自支撑薄膜具有良好的导电性以及优异的柔韧性，薄膜可以很容易地实现弯折、扭曲等操作，文中介绍了MXene在柔性器件中的一系列应用。纯MXene材料可以作为一种柔性电极材料应用在超级电容器、传感器、柔性有机发光二极管中，MXene与其它材料的复合中也展现出了良好的柔韧性，如与银纳米线的复合作为交流电致发光器件及电磁屏蔽复合材料展现出了稳定的发光效率和超高的电磁屏蔽效率。与还原氧化石墨烯及碳纳米管等碳材料的复合作为柔性电极在超级电容器中使用，表明MXene的加入使电极具备一定柔性的同时还展现了可进一步地提高电荷存储能力；与聚乙烯醇（PVA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等聚合物材料的复合在保证复合材料柔韧性的同时赋予了材料导电能力，使其可以作为一种压电传感器用于检测人体活动。总之，无论是纯的MXene材料还是基于MXene的复合材料在柔性器件中都有着十分广泛的应用。
要点四：前瞻
经过十年的发展，MXene材料的种类不断壮大，成功制备了适用于不同领域的MXene材料，但寻找一种通用的，简便的，对环境友好的合成方法仍然是追求的目标。目前究最多的也是最先发现的MXene是具有Ti3C2Tx 结构的材料，原因在于Ti3C2Tx的电导率搞且合成工艺成熟，而之前的研究表明MXene材料的种类非常丰富，探索更多的MXene材料开发更广泛的应用场景是今后研究的一个重点。另外一个十分重要的是对于MXene表面基团的调控是调节其性质的关键，表面基团对于结构、电子学、分散性等特性影响明显，能够有效地调控MXene的表面基团对于提升其应用效率，开拓新的应用场景都是有利的。总之，对于MXene材料的认识还不充分，还需更多的科研工作者投身其中。
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