MXene是一类具有二维层状结构的无机化合物,其化学通式为Mn+1XnTx,其中n=1~3,M代表早期过渡金属,如Ti、Zr、V、Mo等;X代表C或N元素;Tx为官能团,通常为-OH、-O、-F和-Cl。其最早是在2011年由美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授和Michel Barsoum教授共同发现的,由于其具有类似石墨烯(graphene)的二维层状结构,于是被命名为MXene。近年来,此类材料凭借其独特的物理化学性质在电池、超级电容器、催化、光电器件、净水、生物医药、气体传感器等多个领域受到广泛关注,在学术界更是成为了各类顶刊的常客。就在这个月,MXene更是一发不可收拾,接连登上《Science》。下面就来看看明星材料MXene又掀起了什么新热点。

七月初,美国芝加哥大学Dmitri V. Talapin等报道了通过对MXene进行表面修饰,从而调控出了Nb2C型MXene的超导性质,为这种材料的设计和应用打开了新的大门。该研究以题为“Covalent surface modifications and superconductivity of two-dimensional metal carbide MXenes”的论文发表在《Science》上。紧接着在七月下旬,该材料的发现者美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授团队报道了一种新的碳氮化MXene,它具有异常高的电磁屏蔽能力,可以吸收电磁干扰,而不仅仅是使其反射。该研究发现了离散的二维材料与电磁辐射之间的相互作用不同于金属。这一发现打破了电磁屏蔽领域存在难题,不仅报道了一种新型的屏蔽材料,还揭示了一种新的物理学现象。该研究以题为“Anomalous absorption of electromagnetic waves by 2D transition metal carbonitride Ti3CNTx (MXene)”的论文同样发表在了《Science》上,这是MXene在一个月内又一次登上《Science》。

​一月2登《Science》,明星材料MXene将会掀起什么新热点?

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【MXene的超导性】

MXene通常由相应的MAX相合成(图1a),其中X代表C或N(通过选择性蚀刻)。蚀刻通常在HF水溶液中进行,从而使MXene终止于F、O和OH等官能团。与其他2D材料的表面不同,这些官能团可以进行化学修饰,而具有不同表面基团的MXene会具备不同的特性,例如可开关的带隙、可调节的功函数、半金属性和铁磁性等等。因此,MXene表面的共价功能化有望为合理设计2D功能材料揭示新的方向。

在第一篇论文中,作者通过molten无机盐在高于500℃的条件下将表面官能团进行消除和重修饰,实现了在MXene上修饰O、NH、S、Cl、Br、Se和Te端基。这些不同组分的MXene材料展现出了不同的结构和电子特性。作者发现对界面上官能团进行调控可以改变MXene晶格中相邻原子的距离,如Tin+1Cn(n=1,2)端基修饰上Te2+后,产生了大于18%的界面晶格扩展。

此外,作者在Nb2C相应的材料中发现了低温区超导的现象,Nb2CS2(Tc~6.4K),Nb2CSe2(Tc~4.5K),Nb2C(NH)(Tc~7.1K),但Nb2COx未显示出超导性。作者认为表面修饰作用对晶格轴应力、声子频率、电子-声子耦合强度的调控使得MXene材料出现了超导性质。

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图1 Mxene在无机盐中的界面反应
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图2表面基团可在MXene晶格中诱发应变

【Mxene异常高的电子屏蔽性

严重的电磁干扰(EMI)往往会引起电子通讯设备数据丢失、系统故障等问题,甚至可能影响人体健康。因此,需要开发轻质、超薄和灵活的EMI屏蔽材料来保护电子电路和便携式通讯设备,并消除设备与设备之间的干扰。Ti3C2Tx 型MXene及其复合材料具有出色的EMI屏蔽性能,展现出了在智能电子产品中的应用前景。这种屏蔽性能归因于其丰富的表面端基以及该种膜的层压结构。尽管多数研究已经证明了MXene对电磁波的反射和吸收,但总体上它的屏蔽效果并未得到实质性改善

在第二篇论文中,作者报道了导电性能一般的二维过渡金属碳氮化物Ti3CNTx型MXene与更具导电性的Ti3C2Tx或相同厚度的金属箔相比,具有高达3~5倍的电磁屏蔽效果。Ti3CNTx的这种出色的屏蔽性能是通过退火实现的,这归因于其分层结构中异常高的电磁波吸收率,而不仅仅是对电磁波的反射。虽然当前理论还不能完全解释这一现象,但这些结果为设计高级EMI屏蔽材料提供了指导,同时也强调了探索电磁波与2D材料相互作用背后的基本物理机制具有重要意义。

​一月2登《Science》,明星材料MXene将会掀起什么新热点?
图3 Ti3CNTx的形貌与结构
​一月2登《Science》,明星材料MXene将会掀起什么新热点?
图4 当前电磁屏蔽材料性能比较

总结:当月的两篇《Science》分别报道了Nb2C型MXene的超导性和Ti3CNTx型MXene的异常高的电磁屏蔽性能,掀起了MXene研究新的热点。当前主流的研究集中在能源、电化学传感器、电磁屏蔽等领域,此外还有光电器件、生物治疗、海水淡化、MXene基滤膜等等。相信MXene的热度会一直居高不下,它作为明星材料还有更多的秘密等着学者们去研究。但目前MXene前驱体MAX相材料的高价格和复杂工艺可能也是制约MXene研究进一步普及的原因之一。此外,MXene的化学稳定性也饱受诟病。希望各个领域的研究人员能够早日解决MXene大规模生产以及稳定性的问题,从而将MXene推上另一个高峰!

 

原文链接:

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/07/01/science.aba8311?rss=1

https://science.sciencemag.org/content/369/6502/446

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