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MXene：一種廣泛應用新材料的新開發(fā)途徑
MXene是材料科學中的一類二維無機化合物。這些材料由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成。它最初于2011年出現(xiàn)，由于MXene材料表面有羥基或末端氧，它們有著過渡金屬碳化物的金屬導電性。在超級電容器、電池、電磁干擾屏蔽和復合材料等中得到越來越廣泛的應用。例如與傳統(tǒng)電池不同，該材料為離子的運動提供了更多的通道，大幅提高了離子運動的速度。
科學家們已經(jīng)研究出了MXene材料，通常通過選擇性地蝕刻主族元素A來從相應的MAX相合成襯底，其中M代表過渡金屬，X代表碳或氮，主族元素A可以包括鋁、鎵、硅和其他元素。研究人員通常在氟化氫（HF）水溶液中執(zhí)行蝕刻，以使MXene具有氟化物、氧和氫氧化物官能團的混合物。
與其他二維材料，例如石墨烯和過渡二鹵化碳的表面不同，官能團也可以進行化學修飾。先前的研究表明，具有不同表面基團的MXene的選擇性終止可以導致出色的性能，包括可調諧的功函數(shù)和二維鐵磁性。底物的共價功能化將導致發(fā)現(xiàn)合理設計二維功能材料的新方向。
二維過渡金屬碳化物中的表面官能團可以進行多種化學轉化，以促進廣泛的MXene材料的使用。最近，芝加哥大學和阿貢國家實驗室的化學、物理學和納米材料科學家組成的一個研究團隊，設計和開發(fā)了一種新型的MXene合成途徑。他們通過熔融無機鹽中的取代和消除反應來安裝和去除表面基團。該團隊成功地合成了具有氧、亞胺基、硫、氯、硒、溴和碲表面末端的MXene，具有獨特的結構和電子特性，這些表面基團還可以控制MXene晶格中的原子間距離，以顯示依賴于表面基團的超導性。
如圖所示MXene在熔融無機鹽中的表面反應。（A）蝕刻酸性熔融鹽中MAX相的示意圖。（B）通過在熔鹽中蝕刻MAX相而合成的MXene片的原子分辨率高角度環(huán)形暗場圖像。（C）MXene片的能量色散X射線元素線掃描分析。所有比例尺均為1納米。
通過在實驗室中的熔融鹽中蝕刻MAX相，科學家消除了不希望的氧化和水解反應，從而合成了新的MXene。使用高分辨率掃描透射電子顯微鏡（STEM）、拉曼光譜和X射線方法對樣品進行表征，展示了氯化物（Cl-）和溴化物（Br-）封端的MXenes如何有效地參與新型表面反應。該工藝可以對MXene材料的表面化學、結構和性能進行前所未有的控制。
具有不穩(wěn)定的（易于改變的）表面鍵合的基于氯化物和溴化物的MXenes可作為通用的合成子進行其他化學轉化。MXene表面交換反應需要300攝氏度至600攝氏度的溫度，這是傳統(tǒng)溶劑難以達到的。因此，該團隊在熔融液中使用了具有獨特的高溫穩(wěn)定性和高溶解度的熔融堿金屬鹵化物。
為了了解材料的反應性，科學家們跟蹤了使用Ti3C2Cl2薄板進行表面交換反應的過程。將MXene片堆疊在熔融鹽中極大地幫助了離子的擴散。該研究結果表明，如何以獨特的通用性設計出MXene的組成和結構，同時MXene的化學功能化幾乎影響了材料的所有特性，并影響了MXenes中電子傳輸?shù)男再|。
研究指出，在6.0 K的臨界溫度下電阻率急劇下降，表明材料中發(fā)生了超導轉變。相比之下，通過傳統(tǒng)蝕刻路線（在HF水溶液中）制備的基于氧、氫氧化物和氟化物的MXenes表現(xiàn)出高兩個數(shù)量級的電阻率，而未顯示出超導性。
含氧封端的MXene的電阻率最高，而含硒封端的MXene的電阻率最低。從而，表面基團是MXene超導性的積極貢獻者，影響了材料中的雙軸應變、聲子頻率和電子-聲子耦合強度。MXene交換反應顛覆了傳統(tǒng)固體觀點，通常認為固體很難在合成后進行修飾。通過廣泛的表征研究，研究團隊展示了如何合理設計擴展的MXene堆棧內(nèi)部的化學鍵以形成廣泛的功能材料。
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