MAX相、MXenes简介

MAX相的成分通式为Mn+1AXn，其中M为过渡金属元素，具体见图1浅绿色部分，Ａ主要为第三或第四主族元素，具体见图1红色部分，X为碳、氮或两者组合，n可取数值为1，2，3，4，分别称为211型，312型，413型，514型MAX相，在遵循化学计量比的前提下，M元素可以相互组合，即双金属或者多金属，Ti2AlC和(V0.5Cr0.5)2AlC都为211型，Ti3AlC2和Ti3SiC2为312型，Ti4SiC3和Ti4AlN3为413型。当 n=1 时，即 211 型，由一个正八面体组成，当 n=2 时，即 312 型，由两个正八面体组成，当 n=3 时，即 413 型，由三个正八面体组成，如图2所示，即为几种 MAX相和对应MXenes的结构示意图。

图1 已报道的MAX中的三种元素，浅绿色为M，红色为A，蓝色为X.

图2 MAX相和对应MXenes的结构示意图

现己见报道的MAX已超过150种，通过选择性除去其中的A元素（常用HF酸刻蚀），便可以得到一类新型二维材料MXenes,合成的MXenes目前为30多种，由于理论上MAX种类繁多，这为MXenes的合成提供了大量的前驱体。[1]

MXenes优点

①MXenes具有优异的导电性（电导率10^5 S/m）、电导率达到部分金属级别，具体见表1。

表1 MXenes与其它材料电导率比较

最近，有文献刷新了MXene电导率，达到了15100S/cm,比石墨高了一个数量级，但逊色于石墨烯。

②良好的亲水性，（碳纳米管和石墨烯具有稳定的炭表面，亲水性能十分有限），这一优点，为MXenes与其它材料的复合提供了便利。[2]

③MXenes机械性能佳（较好的拉伸强度和柔性），柔性易成膜而直接用作电极，用作电池极片时，避免了粘结剂和导电剂的添加。[3]

图3 抽滤可得的MXenes薄膜实物图

④层间距较大并且柔性可调，刻蚀超声得到的MXenes层间距在1nm左右(基于312型MAX相刻蚀)，层与层之间是范德华力，层间距柔性可调而不破坏其层状结构（层间距可柱撑到2.5nm），鉴于这一优点，通过复合，掺杂制备MXenes基复合材料，通过在MXene层间引入柱撑剂，由于柱撑效应（利用离子撞击或者与层间相关化学键的相互作用，或者层间填充物，有效撑开MXenes层间距，使得MXenes层间具有更大储存载荷的空间），MXenes层间距会增大，可为载荷离子提供更大的储存和运输空间，促进电解液润湿。由于层间的限域作用，可以避免MXene层间填充的活性物质材料的破裂粉化，除了自身提供容量之外，其充放电过程中产生的体积膨胀，能够进一步撑大MXene的层间距，使更多的离子（Li+，Na+等）嵌入MXene层间，赋予MXene更高容量。[4-5] 此外，MXenes层间距随n值的增大而增大，如413型MAX相刻蚀得到的MXenes层间距为1.4nm。

⑤剥离出的MXenes表面存在O、OH、F等官能团，呈电负性，如Ti3AlC2刻蚀除去Al元素后应为Ti3C2，但由于表面吸附了O、OH、F这3种主要官能团，常写作Ti3C2Tx（Tx表示表面吸附的官能团）。MXenes表面的官能团具有吸附多硫化物的功能（碳材料对硫的吸附，由于是非极性，通常为物理吸附，而MXenes具有物理化学双重吸附），从而抑制锂硫电池中多硫化物的穿梭效应，提高锂硫电池的电化学性能。当MXenes用作锂硫电池正极硫载体、隔膜夹层、以及用于改善锂金属负极时，都显著提升了电池性能。[6]

表2 常见材料层间距

MXenes缺点

① 剥离后的MXenes片层容易堆叠和团聚，使得Mxene片层致密化，制备单纯少层MXenes粉末比较困难。MXenes片层团聚、致密化后，使得电解液的浸润困难，无法发挥出其电化学性能。鉴于这一缺点，常在制备得到少层MXenes的水溶液时便开始MXenes的目标应用（MXenes具有良好的亲水性）。[7]

②单独的MXenes用作电极负极材料时，首次库伦效率低（58%），比容量低（用作锂电负极，理论容量320mAh/g,低于石墨的372 mAh/g），充放电过程没有明显的平台，被广泛的当作电容材料进行研究，通常需要掺杂，复合来改善。[8]

MXenes储能主要应用

①利用层状结构，发挥导电骨架作用

②形貌设计（中空球，花状，多孔）

③复合柔性自支撑薄膜，省却粘结剂（一般直接抽滤可得）

④与高容量材料的复合（MXenes发挥导电，抑制其他活性物质的体积膨胀作用）

MXenes辨识度

①层间距大且柔性可调

②表面化学丰富(即得到的MXenes表面含有官能团，使得MXenes具有亲水性，表面电负性等特点)。

导电性虽好，然导电性比不过石墨烯，甚至有部分MXenes是半导体性质的。虽说比表面积大，但也就是几十到几百平方米每克，比不过MOF材料(几千平方米每克)。导电性好和比表面积大属于MXenes特点，但算不上MXenes的独特点。

[1]Alhabeb M , Maleski K , Anasori B , et al. Guidelines for Synthesis and Processing of 2D Titanium Carbide (Ti3C2Tx MXene)[J]. Chemistry of Materials, 2017, 29, 7633−7644

[2] Ling Z , Ren C E , Zhao M Q , et al. Flexible and conductive MXene films and nanocomposites with high capacitance[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(47):16676-16681.

[3] Zhao M Q , Ren C E , Ling Z , et al. Flexible MXene/Carbon Nanotube Composite Paper with High Volumetric Capacitance[J]. Advanced Materials, 2015, 27(2):339-345.

[4] Luo J, Zhang W, Yuan H, et al. Pillared Structure Design of MXene with Ultra-Large Interlayer Spacing for High Performance Lithium-Ion Capacitors[J]. Acs Nano, 2017, 11: 2459-2469.

[5] Luo J , Fang C , Jin C , et al. Tunable Pseudocapacitance Storage of MXene by Cation Pillaring for High-Performance Sodium Ion Capacitors[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 7794-7806.

[6] Tang X , Guo X , Wu W , et al. 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes) as High-Performance Electrode Materials for Lithium-Based Batteries[J]. Advanced Energy Materials, 2018.

[7] Hollow MXene Spheres and 3D Macroporous MXene Frameworks for Na‐Ion Storage[J]. Advanced Materials, 2017, 29(37).

[8] Pang J , Mendes R G , Bachmatiuk A , et al. Applications of 2D MXenes in energy conversion and storage systems[J]. Chemical Society Reviews, 2018.

信息来源： MXene笔记