MXene 的未来

MXene 的未来

MXene是材料科学中的一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。MXene 正在带我们进入新型 2D 材料的原子设计和化学组装时代。迄今为止，已报道超过50个MXene。考虑到具有不同元素比例的固溶体和定义MXene特性的不同表面终端，实验创建的MXene的数量可能接近一百个。计算材料科学、机器学习和人工智能的进步使我们能够预测尚未在实验室中制造的许多其他MXene的特性和合成条件。在这个系统中可以生产出如此多的新材料，这一事实令人惊讶并引起人们的关注。随着每一种新成分的发现，人们对 MXene 系列的兴趣不断增加。然而，对于数十种二硫属化物和相当多的其他二维材料，重要的不是新成分的数量，而是它们提供的性能。所有处于裸露（非终止）状态的 MXene 预计都是在费米能级具有高态密度和高载流子浓度的金属。MXene将金属特性与粘土、层状双氢氧化物或rGO的亲水性结合起来，这是一种不寻常且非常有用的特性组合。人们将 MXene 称为“金属粘土”或“水分散性金属”，因此可以制造 MXene 陶器，且分散在水中的 MXene 的剪切稀化和液晶行为可用于制造薄膜、拉丝纤维和 3D 打印。另外由于可逆表面氧化还原反应的可能性，使 MXene可用于能量存储和转换应用。MXene的机械性能也很出色，这对于制造 MXene 增强复合材料非常重要。MXene 以及在红外 (IR) 范围内吸收的 Nb-MXene 可用于癌症的光热疗法。通过制作各种 MXene 可以获得任何颜色，并可通过改变固溶体中元素的比例对其进行微调。同样，MXene 在红外范围内显示出广泛的发射率值。MXene家族的其他成员也展示了非常广泛的其他光电、物理和化学特性。

那么，下一步MXene将如何发展？ 毫无疑问，将会继续合成新的二维材料。最近添加的M5C4Tx系列应扩展到氮化物，人们期待 2D 系列中体积最大的成员（如果考虑表面终端，则有 11 个原子层）具有一些极端的特性。然而，MXenes及相关材料的组成和结构多样性并不受上述基本结构和化学性质的限制。氮氧化物 MXene 尚未制成，但这可能只是时间问题。二维硼化物（MBenes 或硼化物）已被报道，但由于晶体结构不同而作为一个单独的组，他们进一步扩展了非氧化物二维材料家族。所有这些材料的特性都应该通过计算进行评估并通过实验进行测试。

MXene的“杀手级应用”是什么？ Ti3C2已证明其在印刷电子产品中可与金和银竞争的能力，在柔性和可折叠透明设备中的性能优于氧化铟锡(ITO)，并且在 EMI 屏蔽方面的性能与铜和铝的水平相当，但允许使用比金属箔薄得多的薄膜，由于与皮肤和组织接触的阻抗较低，它在表皮和植入式电子产品中的性能也优于金和石墨烯。高击穿电流特性也使Ti3C2有望用于纳米薄互连。在电池集流体中，微米厚的Ti3C2不仅可以替代10~20μm厚的Al和Cu，使器件更薄、更轻，而且还可以在这些金属不能耐受的氯化物电解液中工作，从而为电池集电器开辟了道路。MXenes也可以用作各种电池和超级电容器的活性材料，在光电领域和热行为工程领域（红外反射率/发射率和高度各向异性热导率）的应用的应用也不断涌现。目前，全球数千名研究人员正在探索MXene在结构和多功能复合材料领域的应用：卫生保健、水淡化和净化、化学催化和电催化、能量储存和转换、通信（天线等）、气体、压力、电化学等传感器以及许多其他领域。

将实验室的优秀研究成果转化为工业产品和未来技术，需要学术界和工业界的共同努力。MXene向工业应用的发展需要开发可扩展、低成本、安全且环保的合成工艺，以及对其毒性和在环境中的归宿进行广泛而彻底的研究。基于 MXene 的独特和可调特性以及其巨大的成分多样性和性能可调性，我们相信 MXene 领域拥有光明和令人兴奋的未来。

参考文献：

Yury Gogotsi. The Future of MXenes[J]. Chemistry of Materials ( IF 8.6 ),2023, 35, 21, 8767–8770 , DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c02491.