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      寧波材料所先進能源材料工程實驗室應邀在《ACS Nano》就MXene材料發表社論文章
      作者:,日期:2021-05-05

        MXenes是一類二維過渡金屬碳/氮化物,化學通式可以由Mn+1XnTx表示。其中,M為過渡金屬,X為C或N,Tx表示最外層金屬表面基團。自2011年首次報道之后,MXenes領域在合成、表征和應用等方面得到廣泛研究。近日,中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進能源材料工程實驗室黃慶研究員應ACS Nano副主編、美國德雷賽爾大學教授Yury Gogotsi的邀請,聯合撰寫了社論(Editorial)文章“MXenes: Two-Dimensional Building Blocks for Future Materials and Devices”,對近年來MXene材料的研究亮點和發展趨勢進行了評論。

        社論文章系統總結了MXenes的發展歷程,指出了MXenes能夠從眾多二維材料中脫穎而出的原因:如優異的金屬導電性質(可達20000 S/cm)、較高的強度和剛度、規?;暮铣杉夹g、較好的環境穩定性和生物相容性等。同時,MXenes與其它二維材料相比具有豐富的元素組成和表面化學行為,在儲能、電催化、透明導體與加熱器、光子與光電設備、光熱治療、光催化、表面增強拉曼光譜等領域具有應用前景。

        社論文章重點指出了MXene材料的表面化學多樣性,并介紹了中科院寧波材料所團隊提出的路易斯酸熔鹽刻蝕技術及其對MXenes表面基團的設計與調控的作用。理論和實驗研究均發現,MXenes的物理和化學性能與其化學組成和表面基團的構型有很大的關系。然而,受制于溶液法合成的局限性,合成具有相同表面基團的MXenes一直是一大挑戰。路易斯酸熔鹽刻蝕技術能夠獲得表面為鹵素基團的MXenes材料(J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4730-4737;Nat. Mater., 2020, 19, 894-899),并且通過熔鹽的選擇和陰離子取代技術可以獲得硫屬和胺根等常規酸刻蝕無法實現的基團。該方法一經報道受便受到本領域諸多科研團隊的關注和廣泛采用,如這些具有鹵素基團的MXenes作為鋅離子電池負極材料展現出色的電化學性能(Energy Environ. Sci., 2021,14, 407-413),帶有硫屬基團的Nb2C首次發現具有超導性質(Science, 2020, 369, 979-983)。

        社論文章展望和分析了未來10年(2021-2030年)MXenes研究面臨的挑戰和機遇。該部分內容是2020年9月11-14日在中國浙江寧波召開第三屆國際MXene會議期間,由黃慶研究員和Yury Gogotsi教授向全世界本領域知名科學家和600余名參會者征集和凝練而成,基本反映了本領域研究所關注的重點方向。其中包括:(1)發展環境友好的、安全、高效、規?;铣煞椒?;(2)利用二維MXenes作為納米構成要素發展具有取向的、復合的三維納米結構;(3)提高MXenes材料的化學和溫度穩定性;(4)電、光、磁、熱、熱電性能和量子局域效應;(5)表面化學控制;(6)開發大尺寸、大面積單晶的MXenes薄膜;(7)開發自組裝技術合成取向、層間距可控的MXenes薄膜;(8)探索Ti3C2Tx外的其他MXenes;(9)開發具有除了O、OH或鹵素等表面基團外的其他MXenes材料和方法,并實現相互轉換;(10)探知MXenes納米片間局域離子和分子的遷移和鍵合對MXenes性能和應用的影響;(11)探知MXenes在水系和非水系電解質儲能器件中的儲能機制;(12)利用MXenes提高陶瓷、金屬、高分子基復合材料的力學性能;(13)缺陷對性能的控制;(14)開發表面基團控制的物理性能(比如超導);(15)探知不同過渡金屬和表面基團的MXenes對健康和環境的安全性或毒性;(16)利用MXenes作為前驅體合成其他材料;(17)為非Ti3C2Tx的MXenes開發無有機插層劑的剝離方法,以提高電導率和其他性能;(18)利用非Al的MAX相合成MXenes;(19)利用化學氣相沉積或者物理氣相沉積在真空環境合成無表面基團的MXenes;(20)探知MXenes薄膜層間的電荷轉移機制和控制方法等共計32個挑戰。

        ACS Nano期刊在發表社論文章的同期也編輯出版了首個MXene虛擬期刊(pubs.acs.org/page/ancac3/vi/mxenes?ref=vi_collection)。該虛擬期刊優選了49篇從2012年以來圍繞“能源存儲”“傳感與器件”“催化”“電磁波干擾”“生物與復合材料”和“合成、工藝和結構”等領域MXene研究的重要進展工作。

        以上工作發表于ACS Nano(2021, 15, 5775-5780),黃慶研究員得到了中科院對外合作重點項目、浙江省領軍型創新創業團隊、寧波市頂尖人才團隊等經費支持。

      MXene材料的組成元素在元素周期表中的分布及其主要四種晶體結構

       

      (a)路易斯酸熔鹽刻蝕法合成MXene材料示意圖,(b)掃描透射電子顯微技術揭示MXene材料具有氯表面基團

       ?。ㄏ冗M能源材料工程實驗室 供稿)

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