新型二维材料：MXenes

一、引言

MXene是一种新型二维片层的纳米材料，它是通过使用氟化氢刻蚀其前驱体MAX相获得。其中Ti3C2Tx是MXenes系列材料的一种，也是目前 MXenes材料研究比较多的一种，其剥离制备技术最为成熟。本文对 “MXene 之父”Yury Gogotsi课题组关于MXene相关的工作进行了汇总。

封面图片（来源于https://nano.materials.drexel.edu/）

二、文献解读

1. MXenes与微波的电化学调制相互作用

第一作者：Meikang Han

通讯作者：Yury Gogotsi

通讯单位：美国德雷塞尔大学；德雷塞尔纳米材料研究所和材料科学与工程系

为了保护工作在千兆赫频率下的电子设备，电磁波干扰的动态控制是一个显著的技术挑战。泡沫材料可以调节微波的反射和吸收，从而实现可调的电磁干扰屏蔽能力，但其几毫米的厚度阻碍了其在集成电子产品中的应用。

Yury Gogotsi团队展示了一种利用各种亚微米厚MXene薄膜调制入射电磁波反射和吸收的方法。通过电化学驱动离子插层和脱层实现电磁干扰屏蔽效果的可逆可调，这导致了不同电解质的电荷转移效率，伴随着MXene层间距的膨胀和收缩。最后通过电化学氧化MXene薄膜制备了一种不可逆电磁干扰屏蔽警示器。与静态电磁干扰屏蔽相比，作者的方法提供了实现主动调制的机会去适应苛刻的环境。

图1. 电化学调制的MXene薄膜的EMI屏蔽行为。 

a，屏蔽的原理图，它由PET衬底上的MXene电极和含电解质的聚合物膜组成。

b，本工作中使用的MXene电极的照片。

c，用于调节EMI屏蔽的MXene层之间的离子插层示意图。V，外加电压。

d, MXene薄膜截面的扫描电镜图像。

e-h，电势依赖EMISE以及使用V2CTx电极在1 M H2SO4中(e)， Ti3C2Tx电极在1 M H2SO4中(f)， V2CTx电极在19.8 M LiCl中(g)， Ti3C2Tx电极在19.8 M LiCl中(h)的器件的CV，显示了不同MXenes在不同电解质中EMI SE的双向可调性。

这项工作展示了一种电化学调制的MXene屏蔽器，它可以调节EMI屏蔽效果。EMISE的双向可调性是通过MXene电极薄膜实现的。作者提供了对微波与薄膜相互作用的基本理解，并为开发具有动态调节功能的自适应EMI屏蔽建立了一个平台。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01308-9

2. 用于射频通信的溶液处理的Ti3C2Tx MXene天线

第一作者：Meikang Han

通讯作者：Yury Gogotsi

通讯单位：美国德雷塞尔大学；德雷塞尔纳米材料研究所和材料科学与工程系

由于第五代(5G)网络时代便携式和可穿戴电子设备的爆炸式增长，对高度集成、灵活和超薄的无线通信组件的需求很大，但到目前为止，只有传统金属才能满足新兴射频设备的要求。

在这里，作者报道了具有低能量衰减的Ti3C2Tx MXene微带传输线和具有5.6-16.4 GHz频率高功率辐射的贴片天线。5.5 μm厚MXene贴片天线在16.4 GHz时的辐射效率达到99%，与标准35 μm厚铜贴片天线（铜重量7%）的情况下的辐射效率相当。迄今为止，MXene的性能优于所有其他贴片天线材料。此外，在共形表面上集成馈电电路的MXene贴片天线阵列在28 GHz (实际5G应用的目标频率)的性能与铜天线阵列相当。MXene天线在宽频率范围内的多功能性，加上灵活性、可扩展性和解决方案处理的便捷性，使MXene有望用于各种柔性电子设备中的集成射频组件。

图2. MXene贴片天线射频应用。

a) 箭行顺序:单个Ti3C2Tx MXene薄片和Ti3C2Tx原子结构的原子力显微镜(AFM)图像；PET衬底上MXene薄膜的截面扫描电镜(SEM)图像和Ti3C2Tx薄片的堆叠示意图，显示沿电磁波传播方向排列的层；预制MXene贴片天线图像；MXene微带贴片天线阵列原理图；MXene贴片天线的潜在应用原理图，包括卫星、柔性可穿戴电子设备和物联网设备。

b) MXene与金属、碳和其他贴片天线的辐射效率与厚度的比较。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202003225

3. Ti3C2Tx MXene的可扩展合成

第一作者：Christopher E. Shuck

通讯作者：Yury Gogotsi

通讯单位：美国德雷塞尔大学；德雷塞尔纳米材料研究所和材料科学与工程系

由于合成瓶颈，将合成2D材料的生产规模扩大到工业数量面临着重大挑战，很少有大规模生产。这些挑战通常源于自下而上的方法，将生产限制在底物尺寸或化学合成和/或剥离前驱体的可用性上。相比之下，MXenes，一大类二维过渡金属碳化物和/或氮化物，是通过自上而下的合成方法生产的。选择性湿法蚀刻工艺不像其他一些二维材料有类似的合成约束。反应发生在整个体积内。因此，该工艺可以很容易地按反应器体积进行缩放。

作者以1 g和50 g两种批量尺寸对二维碳化钛MXene (Ti3C2Tx)的合成进行了研究，以确定大体积合成是否会影响合成的MXene薄片的结构或组成。使用扫描电子显微镜、X射线衍射、动态光散射、拉曼光谱、X射线光电子能谱、紫外可见光谱和电导率测量对所生产的MXene的形态和性能进行了表征，表明两种批次生产的材料基本上相同。这表明，MXenes在放大合成时结构或性质没有变化，这使得它们可以进一步放大和商业化。

图3a) MXene合成原理图，b) 1L MXene反应器图像及合成装置三维模型。

该系统有一个内部夹套和一个冷却箱。这使得温度在整个反应过程中保持恒定。配有螺杆给料机，可干燥并向下施加压力，使MAX粉末均匀加入，混合器和热电偶夹套由聚四氟乙烯制成，以保护反应器部件在反应期间不被溶解。搅拌器的设计是为了促进反应介质的更均匀的混合。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adem.201901241

4. MXenes的崛起

作者：Yury Gogotsi, Babak Anasori

近年来，从单层石墨烯独特物理性能的发现开始，二维(2D)材料得到了广泛的研究。这种兴趣引发了对已知二维材料(如金属二卤族化合物和氮化硼)的新研究浪潮，并发现了许多新的二维材料，比如MXenes。MXenes是过渡金属的碳化物和氮化物，这是一个快速增长的2D材料家族。MXenes的组成和结构的多样性导致了一个庞大而迅速扩展的2D材料家族的形成。MXenes的前驱体MAX相，以及MXenes中的插层金属离子。

图4. 迄今为止，探索了MXenes的应用和性能。中间的饼图显示了MXenes每个已探索的应用和起始年份。

迄今为止，超过70%的MXene研究都集中在第一个发现的MXene Ti3C2Tx上。对这种MXene的探索是如此广泛，以至于对于许多研究人员来说，MXene的名字已经成为Ti3C2Tx的代名词。至少有100种化学计量的MXene组合和无限数量的固溶体不仅提供了独特的性质组合，而且还提供了一种通过改变M或X元素比例来调整它们的方法。MXene家族规模庞大，尚未被充分开发，其独特的属性组合为各种不同的应用打开了大门， MXene研究仍处于早期阶段，许多令人兴奋的发现即将到来。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06394

5. MAX相电化学刻蚀法室温碳化物衍生碳的合成

第一作者：Maria R. Lukatskaya

通讯作者：Yury Gogotsi

通讯单位：美国德雷塞尔大学；德雷塞尔纳米材料研究所和材料科学与工程系

多孔碳被广泛应用于能源储存和气体分离，但其合成总是需要高温。在此，作者在室温下电化学选择性地从三元层状碳化物Ti3AlC2, Ti2AlC和Ti3SiC2 (MAX相)中提取金属原子。其结果是一种主要的非晶态碳化物衍生碳，具有狭窄的微孔分布。后者是通过将碳化物置于HF、HCl或NaCl溶液中并施加阳极电位而产生的。Ti3AlC2在稀HF中蚀刻形成的孔直径约为0.5 nm。这种方法放弃了能源密集型热处理，并提出了一种新的方法，用于开发具有微调孔的碳，用于各种应用，如超级电容器、电池电极或二氧化碳捕获。

图5. 温和的碳路线：形成碳化物衍生碳通过电化学诱导提取金属原子从三元碳化物在室温下被证明。这种方法避免了高温或氯气的使用，并允许形成具有相当窄的孔径分布的碳膜。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.201402513